JP5807463B2

JP5807463B2 - 物体表面の質感計測装置およびそれを用いた紙葉類識別装置

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Publication number: JP5807463B2
Application number: JP2011198993A
Authority: JP
Inventors: 雅之寒川; 奥山　雅則; 雅則奥山; 野間　春生; 春生野間
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: JP2013061201A

Description

この発明は、物体表面の凹凸を計測することで物体表面の質感を計測する技術に関する。

現在、ロボットに人間の触覚と同様の機能を与えるための集積多軸触覚センサの実用化が期待されている。

たとえば、少子高齢化が進み、日本における労働力人口の減少により、介護者の負担・人手不足の増大が懸念されている。これらを軽減するために、ロボットによる介護支援、労働力提供が期待されている。このようなロボットは本来人間が行っていた介護や柔軟物の取り扱いといった器用な仕事を行うため、人間の指先のように鋭敏な触覚機能が必要となる。

人間の触覚は静止した状態では１００μｍ以下の粗さが判別できないが、指先を能動的に動かすアクティブタッチにより対象物体表面のマイクロメータオーダの凹凸を知覚し、紙質の違いや材料表面の仕上げを認識できる（たとえば、非特許文献１を参照）。

従来このような表面の微細な凹凸を計測する技術は、表面粗さ計測とよばれ、１）接触式と２）光学式とに分かれる。

接触式とは、針を物体表面に押しつけて走査し、物体表面の凹凸に伴い生じる針先の上下の動きを拡大して検知するものであり、製品として販売されている（たとえば、非特許文献２、非特許文献３を参照）。

針式の場合、針の先端を一定の力で対象に押しつける必要があり、針の先端が微細なため、対象物体を傷つける恐れがある。

一方で、光学式とは、レーザ等を対象物体表面に照射し、反射光から表面の粗さを計測するものであり、これも製品として販売されている（たとえば、非特許文献４を参照）。

光学式の場合、対象物体を微細に計測することは可能であるが、対象が透明であると反射光が得られないために、計測できない。

なお、表面粗さの定義については、日本工業規格に以下のとおり規定されている。

ＪＩＳ B0601：表面粗さパラメータの定義
B0633：表面性状:輪郭曲線方式-評価の方法及び手順
B0651：表面性状:輪郭曲線方式-触針式表面粗さ測定機の特性
また、従来、銀行等の金融機関は、利用者の入力操作に応じて、入金取引や出金取引等の各種取引を処理する現金自動預け払い機（以下、ＡＴＭと言う。）を店舗等に設置している。ＡＴＭは、周知のように、入金取引や出金取引等にかかる紙幣について、その真偽や金種を識別する紙幣識別ユニットを設けた、紙幣処理装置を有している。

紙幣処理装置は、たとえば、金種別カートリッジと、入出金口と、を結ぶ紙幣搬送路を有し、この紙幣搬送路に沿って紙幣を搬送する。紙幣識別ユニットは、この紙幣搬送路に沿って搬送している紙幣の画像を読み取るイメージセンサを有する。紙幣識別ユニットは、このイメージセンサを用いて読み取った紙幣の画像を用いて、紙幣の種別や真偽を識別する。

なお、紙幣の種別や真偽を、上述した画像だけでなく、その紙幣から読み取った磁気パターンや、検出した厚さ等も用いて識別する紙幣識別ユニットもある。

ただし、紙幣等の種別や真偽の判定については、誤判定の確率を最小化するという意味でも、紙幣等の有する様々な物理的性質をチェックすることが望ましい。

しかしながら、従来、このような物理的性質の検出方法としては、光、より一般的には、電磁波の透過率や反射率、磁気成分の検出、紙の厚さの検出等が、採用されるにとどまっている（たとえば、特許文献１を参照）。

上述したように、紙の表面粗さを検出する技術そのものは存在するものの、上述したような紙幣の種別や真偽を識別するというような応用については、十分な検討がなされているとは言えない状況である。

たとえば、特許文献２（特開２００２−１３９３９２号公報）には、紙葉類の質感検出装置及び紙葉類の処理装置が開示され、これは、紙送りローラに圧電素子を組み込み、ローラの接線方向の力を計測して、紙幣表面の凹凸に伴う摩擦力の変化を検知するとの構成を有している。しかしながら、ローラ全体に係る摩擦力の検知であり、紙面の微細な領域の質感の検知を行っているわけではない。したがって、特許文献１に開示の技術は、あくまで、紙幣の損耗を測定し、損耗した紙幣と損耗していない紙幣に分類するという目的に対するものである。

また、特許文献３（特開２００８−３９５４０号公報）には、音叉型の水晶振動子を備えた触覚センサを用いて、水晶振動子が紙表面に接触する前後のインピーダンス差△Ｒから、紙の表面粗さを評価する評価方法および評価装置が開示されている。しかし、針式の表面粗さ計測装置であり、微細計測が可能であるが、上述した紙幣の識別等のような応用を考えたときには、実用的な速度で表面粗さを検出することが難しい。

さらに、特許文献４（特開２００４−７７３４６号公報）には、触覚センサとそれを用いた表面形態計測システム並びに表面形態計測方法について開示されている。この触覚センサは、ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムから延設される第１の電気信号線と、ポリマー圧電体フィルム及びこのポリマー圧電体フィルムと第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有する構成であって、カンチレバー形状の接触式計測技術である。しかしながら、このような構成では、センサが印可する圧力と対象表面の凹凸による圧力、ならびに、水平動に伴う摩擦力が完全に分離できない。

一方で、特許文献５および特許文献６には、湾曲したカンチレバー形状のセンサをエラストマー層で被覆した触覚センサが開示されている。

特開２０１０−１９８０６６号公報特開２００２−１３９３９２号公報特開２００８−３９５４０号公報特開２００４−７７３４６号公報特開２００８−８８５４号公報特開２０１０−２０４０６９号公報

宮岡徹: ヒト触覚情報処理の基礎、計測と制御、 Vol. 47、 pp. 554-560 (2008) 触針式表面形状測定器 Dektak 150 http://www.ulvac.co.jp/products/compo/F110008.html、ULVAC社、２０１１年粗さパラメータ計測ガイド（http://www.accretech.jp/pdf/measuring/sfexplain_1.pdf）、東京精密超高速・高精度レーザ変位計 LK-G5000シリーズ、http://www.keyence.co.jp/henni/laser_henni/lk_g5000/?motive=TOP、キーエンス社

特許文献５および特許文献６に開示された触覚センサは、高感度で被覆体に加えられる圧力および剪断力の大きさおよび方向を検出することができ、３軸の多軸接触センサとして機能する。しかも、エラストマ層に圧力または剪断力が繰り返し加えられた場合でも、信頼性の高い触覚センサが得られる。

しかしながら、触覚センサを用いて、紙葉類の識別が可能な程に、物体表面の質感を計測する可能性についての検討は、いまだなされていない。したがって、どのような構成であれば、このような高感度な質感の計測が可能であるかが、必ずしも明らかではない、という問題があった。

この発明の目的は、実用的な感度および速度で、物体表面の質感を計測することが可能な質感計測装置を提供することである。

この発明の他の目的は、物体表面の質感計測装置を用いた紙葉類識別装置を提供することである。

この発明の１つの局面に従うと、物体表面の質感計測装置であって、多軸触覚センサ装置と、前記多軸触覚センサ装置を、被測定物の表面に対して一定の垂直圧力で押し当てつつ、前記表面に平行な方向に指定された速度で、前記多軸触覚センサ装置と前記被測定物とを相対的に移動させるための走査手段と、予め規定されている測定対象領域についての判定パターンと、前記多軸触覚センサ装置からの信号の時間変化とを格納するための記憶手段と、前記記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記多軸触覚センサ装置の静止状態を基準として、移動に伴う前記多軸触覚センサ装置と前記被測定物との間の摩擦力に対応する前記触覚センサ装置の出力を抽出する質感抽出手段とを備え、前記質感抽出手段は、前記多軸触覚センサ装置からの出力の時間変化の周波数成分を抽出するための周波数成分抽出手段を含み、前記判定パターンに基づき、前記走査手段により前記被測定物を相対的に移動させる速度の情報と抽出された前記周波数成分とに応じて、前記被測定物を判別する識別処理手段をさらに備える。

好ましくは、前記質感抽出手段は、前記摩擦力に対応する前記触覚センサ装置の出力として、最大静止摩擦力に達するまでの触覚センサの出力値の変化の大きさと、動摩擦状態での触覚センサの出力値の変化の大きさとを抽出する摩擦力情報抽出部をさらに含み、
前記識別処理手段は、前記摩擦力情報抽出部の出力と前記判定パターンとを比較して判別を実行する。

好ましくは、前記多軸触覚センサ装置は、複数のセンサ素子を含み、各前記センサ素子は、基板と、前記基板から浮いた傾斜構造を有するカンチレバーと、前記カンチレバーにかかる力を検知するための検知素子とを含み、前記多軸触覚センサ装置は、前記複数のセンサ素子を覆うエラストマ層を備える。

この発明の他の局面に従うと、紙葉類を識別するための紙葉類識別装置であって、多軸触覚センサ装置と、前記多軸触覚センサ装置を、前記紙葉類の表面に対して一定の垂直圧力で押し当てつつ、前記表面に平行な方向に指定された速度で、前記多軸触覚センサ装置と前記紙葉類とを相対的に移動させるための走査手段と、計測対象の紙葉類の種類と関連づけられ予め規定されている測定対象領域についての判定パターンと、前記多軸触覚センサ装置からの信号の時間変化を格納するための記憶手段と、前記記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記多軸触覚センサ装置の静止状態を基準として、移動に伴う前記多軸触覚センサ装置と前記紙葉類との間の摩擦力に対応する前記触覚センサ装置の出力を抽出する質感抽出手段とを備え、前記質感抽出手段は、前記多軸触覚センサ装置からの出力の時間変化の周波数成分を抽出するための周波数成分抽出手段を含み、前記質感抽出手段からの出力により、前記判定パターンに基づき、前記走査手段により前記紙葉類を相対的に移動させる速度の情報と抽出された前記周波数成分とに応じて、前記紙葉類の種類または真偽を判別する識別処理手段をさらに備える。

好ましくは、前記質感抽出手段は、前記摩擦力に対応する前記触覚センサ装置の出力として、最大静止摩擦力に達するまでの触覚センサの出力値の変化の大きさと、動摩擦状態での触覚センサの出力値の変化の大きさとを抽出する。

本発明における触覚センサ装置は、カンチレバーがエラストマ中に埋め込まれた構造をしている。カンチレバーは基板から浮いた傾斜構造を持ち、これにより縦方向にも横方向にも変形可能である。方向の違う微小立体構造を複数個、たとえば、３つ用いることで垂直方向と水平方向２軸の計３軸方向の力成分を計測できる。このセンサを一定の力で対象物に接触させ、能動的に動かした時のセンサ出力の変化を計測する。このとき、摩擦力によりセンサは水平方向の力を受ける。この力は動かし始めてから滑り始めるまで最大静止摩擦力まで増大していき、滑り始めると動摩擦状態に移行するのでセンサに印加される力は減少する。これらの変化は物体の摩擦係数によるため、センサの出力の時間変化を計測することにより摩擦状態を検知することができる。

また、物体の表面に微小な凹凸が存在するときは、凹凸にセンサ表面の端が引っかかり水平方向の変形が大きくなっていきある程度まで行くと引っ掛かりが外れ変形が元に戻るということが繰り返される。これはセンサの出力の振動として検出できるため、出力の周波数特性を計測すれば、表面の凹凸による粗さが計測できることになる。

本発明では、多軸触覚センサを用い、これを能動的に対象物に接触させることで生ずる摩擦や振動を３軸の力ベクトルの大きさと方向の変化として捉えることにより、センサの動きとセンサが対象にかける押し圧力（圧力）を調整しながら、対象物の凹凸や摩擦係数の違いを計測することが可能である。

紙葉類識別装置１０の構成を説明するためのブロック図である。触覚センサ２００の構成の一例を説明するための図である。複数のセンサ素子を被覆層２００で覆った状態を示す斜視図である。カンチレバーＣＬ１に接続される出力回路の部分を示す回路図である。触覚センサ装置における他の触覚センサの配置の例を示す平面図である。触覚センサの他の構成の例を示す図である。質感計測の実験のための測定系を示す図である。紙の表面全体にインクを印刷したものとしていないものに対する触覚センサの抵抗変化率を示す図である。静止摩擦状態から動摩擦状態への移行の様子を示す概念図である。測定に用いた１万円札の測定対象領域（検知エリア）を示す図である。触覚センサによる抵抗値の時間変化を表す図である。図１１の抵抗値の時間変化をフーリエ変換して周波数分布として表す図である。

以下、本発明の実施の形態の物体表面の質感計測装置について、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。

なお、以下では、本発明の「物体表面の質感計測装置」を「紙葉類識別装置」に適用した例について説明する。ただし、このような物体表面の質感計測装置は、このような用途に限定されることなく、他の用途にも使用可能なものである。たとえば、物体表面の質感計測装置を、上述したようなロボットの触覚センサとして使用することも可能である。

また、物体表面の質感計測装置の計測対象は、紙葉類識別装置を具体例とするので、紙葉類として説明する。ここで、「紙葉類」は、一般には、有価証券、紙幣等を指すが、以下では、紙葉類が紙幣であるものとして説明する。
（紙葉類識別装置の構成）
図１は、紙葉類識別装置１０の構成を説明するためのブロック図である。

図１において、紙幣７０は、搬送路６０を図中の矢印の方向に移動する。

紙葉類識別装置１０は、触覚センサ２００と、判別部１２とを含む。判別部１２は、触覚センサ２００からの出力に基づいて、計測対象の質感を計測するための質感計測部３０を備える。ここで、触覚センサ２００と質感計測部３０とで、質感計測装置を構成する。

触覚センサ２００が、紙幣７０に対して、一定の垂直応力で押し当てられた状態で、紙幣７０が搬送路を移動することで、紙幣の表面の水平方向について触覚センサ２００の出力値が時間とともに変化する。このような垂直応力の値および紙幣７０の移動速度は、可変であるものとする。

質感計測部３０は、触覚センサ２００からの抵抗値を計測するための抵抗計測部３２と、抵抗計測部３２からの計測データを時系列データとして格納するための計測データ記憶部３４と、計測データ記憶部３４に記憶された抵抗の計測データの時間変化をもとにデータ処理を実行するデータ処理部３６とを含む。ここで、データ処理部３６が実行するデータ処理は、後段での識別処理に使用するのに適したデータ形式に変換する処理であって、たとえば、平均値や標準偏差の算出処理でもよいし、あるいは、周波数成分を抽出する処理、より特定的には、高速フーリエ変換により周波数成分を抽出する処理などを含む。

紙葉類識別装置１０は、さらに、計測対象である紙幣の種類（金種等）と関連づけて、種類ごとに予め規定されている測定対象領域についての判定基準値または判定パターン（以下、「判定パターン」と総称する）を予め格納しておくための判定パターン記憶部４０と、この判定パターンとデータ処理部３６からの出力を比較することで、紙幣の種類あるいは紙幣が真券か偽券かを判別する識別処理部５０とを備える。

ここで、識別処理部５０には、搬送路６０において、紙幣７０が搬送される速度が図示しない機構により検知され、入力される。これにより、たとえば、データ処理部３６からの信号のうち、紙幣７０の移動に関連して生成された信号を選択的に抽出することが可能となる。

識別処理部５０が実行する判別処理は、紙幣の種類の判別あるいは紙幣が真券か偽券かを判別のいずれか一方でもよいし、双方とも判別する構成であってもよい。また、識別処理部５０が、上記垂直応力の値および紙幣７０の移動速度を制御する構成とすることもできる。

なお、後に説明するように、判別部１２は、上述した周波数成分だけでなく、触覚センサと対象物（紙）とが静止状態であるときを基準として、触覚センサと対象物（紙）との間の摩擦力に対応する触覚センサの出力値のレベルを、識別処理部５０が判別に使用するための情報として出力する摩擦力情報抽出部を設ける構成とすることもできる。このような摩擦力に対応する摩擦力情報抽出部の出力としては、触覚センサの移動開始後に、最大静止摩擦力に達するまでの触覚センサの出力値の変化の大きさと、動摩擦状態での触覚センサの出力値の変化の大きさを出力するものとし、識別処理部５０は、予め測定されている紙幣の種類ごとの判断基準と比較することで判別に使用することが可能である。このとき、このような摩擦力を測定するのも、所定の測定対象領域とすることができる。

ここで、「測定対象領域」とは、紙幣の種類に応じて、特徴的なパターンが存在する表面の領域を、予め検知エリアとして指定した領域である。

図２は、触覚センサ２００の構成の一例を説明するための図である。

なお、触覚センサ２００の構成およびその製造方法については、たとえば、上述した特許文献６（特開２０１０−２０４０６９号公報）に詳しく開示されているので、以下では、その概略を説明する。

図２は触覚センサ２００を構成する１つのセンサ素子２０１の構成の一例を示す図であり、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は模式的平面図である。

センサ素子２０１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上シリコン）基板を用いて形成される。ＳＯＩ基板は、例えば、結晶シリコンからなる基板１０１、埋め込み酸化膜１０２および結晶シリコン膜１０３を有する。結晶シリコン膜１０３の厚さは、例えば２００ｎｍである。埋め込み酸化膜１０２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。

結晶シリコン膜１０３には、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａが形成されている。ｐ型ドープ層１０３ａは、熱拡散またはイオン注入により結晶シリコン膜１０３にホウ素（Ｂ）をドープすることで形成される。略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａは、互いに平行に延びる一対の脚部とこれらの脚部を連結する連結部とからなる。ｐ型ドープ層１０３ａの厚さは、例えば１００ｎｍである。また、ｐ型ドープ層１０３ａにおけるホウ素の濃度は、例えば０．２原子％（１０２０／ｃｍ³）である。

略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部を覆うように結晶シリコン膜１０３上に、低圧ＣＶＤ（化学的気相堆積法）およびフォトリソグラフィにより、一対の開口部１０５を有するＳｉＮ（窒化シリコン）からなる絶縁層１０４が形成されている。絶縁層１０４の一対の開口部１０５はｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に重なるように設けられる。

真空蒸着法などの金属膜の形成方法とフォトリソグラフィにより、一対の開口部１０５を含む絶縁層１０４の領域上にＣｒ（クロム）／Ａｕ（金）からなる一対の矩形の電極１０６が形成されている。

また、結晶シリコン膜１０３上に、ｐ型ドープ層１０３ａに並ぶようにＣｒからなる略矩形状のたわみ制御層１０７が形成されている。Ｃｒの蒸着の際に、温度上昇によりたわみ制御層１０７および結晶シリコン膜１０３が熱膨張する。その後、たわみ制御層１０７および結晶シリコン膜１０３が収縮する。この場合、Ｃｒと結晶シリコンとの熱膨張係数の違いにより冷却後には、たわみ制御層１０７内に残留応力が発生している。

たわみ制御層１０７、ｐ型ドープ層１０３ａの連結部、およびそれらの下の結晶シリコン膜１０３の部分が後述するカンチレバーＣＬ１となる。

また、エッチングによりカンチレバーＣＬ１の下の埋め込み酸化膜１０２の領域は除去されている。エッチング液としては、例えば、フッ化水素（ＨＦ）を用いることができる。

ここで、上述したように、たわみ制御層１０７内に残留応力が発生している。そのため、埋め込み酸化膜１０２の上記の領域を除去した場合、たわみ制御層１０７内の残留応力に起因して、図２に示すように、たわみ制御層１０７がその下の結晶シリコン膜１０３の部分とともに上方（基板１０１と反対方向）に向かって湾曲する。これにより、ＸＹ平面において略矩形状でかつ基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するようにカンチレバーＣＬ１が形成される。カンチレバーＣＬ１は支持部Ｓおよび可動部Ｒからなる。支持部Ｓが埋め込み酸化膜１０２上に支持され、可動部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２が除去されている。

センサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に電極１０６がそれぞれ形成されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａをピエゾ抵抗素子として機能させることができる。

なお、触覚センサ２０００の形成前または形成と並行して基板１０１上に後述する出力回路の一部または全てを形成することとしてもよい。

図３は、複数のセンサ素子を被覆層２００で覆った状態を示す斜視図である。

図３に示すように、複数の触覚センサ素子２０１〜２０４を被覆するように枠部材および被覆層（エラストマ層）からなる被覆体１１０を形成する。

ここで、エラストマとしては、特に限定されないが、たとえば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ)を用いることができる。

このようにして作製されたセンサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型のドープ層１０３ｂの一端に電極１０４ａが形成され、他端に電極１０４ｂが形成されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａを、ピエゾ抵抗素子として機能させることができる。

被覆体１１０の表面に圧力または剪断力が加えられると、被覆体１１０の内部応力が変化し、カンチレバーＣＬ１が変形する。それにより、ｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗が変化することで、歪抵抗素子として機能する。

以上のような触覚センサ２００の構成では、たわみ制御層１０７内に残留応力が存在するので、可動部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２の部分を除去することにより残留応力に起因してたわみ制御層１０７が可動部Ｒとともに自律的に基板１０１の一面から斜め上方に湾曲する。それにより、基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を容易にかつ小型に形成することができるとともにセンサ素子２０１〜２０４の構造を簡素化することができる。したがって、触覚センサ装置１００の小型化および低コスト化が可能となる。
（触覚センサ装置２００の出力回路）
図４は、カンチレバーＣＬ１に接続される出力回路の部分を示す回路図である。

図４に示すように、カンチレバーＣＬ１の一対の電極１０６には、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が接続され、カンチレバーＣＬ１、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３および直流電源Ｅによりブリッジ回路２１１が構成されている。ブリッジ回路２１１の出力電圧は増幅器２２１に与えられ、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１に入力される。

他のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４にも、図４の出力回路と同様の出力回路が接続される。

ブリッジ回路２１１、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１のうち一部または全てが図３の基板１０１の主表面の触覚センサ２００が設けられる領域以外の回路領域に形成される。特に限定されないが、たとえば、ブリッジ回路２１１のみが基板１０１の回路領域に形成され、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１が、図１の抵抗計測部３２に設けられる構成とすることができる。ただし、たとえば、ブリッジ回路２１１、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１が基板１０１の回路領域に形成されてもよい。

図５は、触覚センサ装置における他の触覚センサの配置の例を示す平面図である。

図５の触覚センサ２００が図３の触覚センサ２００と異なるのは、触覚センサ２００が３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３により構成される点である。３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３は、互いに１２０度異なる向きに配置されている。

図５の触覚センサ２００においては、センサ素子２０１，２０２，２０３にそれぞれ対応する出力値が得られる。Ｘ軸方向の剪断力と出力値との関係、Ｙ軸方向の剪断力と出力値との関係およびＺ軸方向の圧力と出力値との関係を予め測定により求める。それにより、圧力および剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。

図６は、触覚センサの他の構成の例を示す図である。

図６（ａ）は、他の構成例の触覚センサのマイクロカンチレバーの断面構造を示す図である。

なお、このような触覚センサの構成については、たとえば、以下の文献に開示がある。

文献：Masayuki Sohgawa, Tatsuya Uematsu, Wataru Mito, Takeshi Kanashima, Masanori Okuyama, Haruo Noma: "Crosstalk Reduction of Tactile Sensor Array with Projected Cylindrical Elastomer over Sensing Element", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 50 (2011) 06GM08.
支持層として、ＳＯＩ基盤の活性層Ｓｉを用い、絶縁層としてＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により成膜したＳｉ₃Ｎ₄薄膜、歪みゲージとしてスパッタリングにより成膜したＮｉＣｒ合金薄膜(ターゲット組成比Ｎｉ：Ｃｒ＝４２：５８)、カンチレバーを傾斜させる応力層として真空蒸着により成膜したＣｒ層、および配線としてＡｕが積層されている。

基板からカンチレバーを上方に向かって湾曲させるためには、バッファードフッ酸(ＢＨＦ)によりＳＯＩウェハの埋込酸化膜層ＳｉＯ₂をエッチングする。これによりＣｒ層の残留応力によってカンチレバー部分が応力に片寄りのあるバイメタル構造となり、自動的にカンチレバーが基板面から持ち上がった構造となる。

このＢＨＦ液中でのリフト処理の後、純水で洗浄し、さらに基板への貼り付きを防ぐためにエタノールで置換させてから、真空中で乾燥させることで、カンチレバーを含むＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造が完成する。

図６（ｂ）は、乾燥後の触覚センサの１素子の光学顕微鏡写真を示す図である。

図６（ｂ）においては、３つのカンチレバーが向かい合っている中央部が、各カンチレバーが持ち上がっている先端部であり、顕微鏡の落射照明光が斜め方向に反射されているために黒く見えている。この複数のマイクロカンチレバー構造を作製した触覚センサ基板上に樹脂製の型枠を用いてエラストマを形成する。この際、素子間の相互作用を分離するために向かい合った３つのカンチレバーを一つのユニットとして凸型形状を構成する。凸部以外は型枠と基板の間は完全に密着していないため、エラストマの原液が入り込みエラストマの薄膜ができ、付着力を高めている。アレイのユニット数、つまり凸部は２×３のアレイであり、それぞれの間隔は２ｍｍである。

このような構造を用いた場合も、エラストマ表面に外力が作用すると、エラストマ全体が変形し、その変形に合わせてカンチレバー構造の傾きも変化する。このカンチレバーの傾きはＮｉＣｒの抵抗値の変化として電気的に検出できる。

この時の３つのカンチレバーの傾き変化はエラストマ表面に作用する垂直方向の圧力、並びに、水平方向の剪断力によって異なるので、カンチレバーの傾き変化から逆に印加された３軸力が求められる。

そして、このカンチレバーからの抵抗値から逆演算によってエラストマ表面に作用する圧力と剪断力を算出できる。

このセンサの特性を応用し、物体表面の上でこのセンサを面に沿って一定圧力をかけたまま水平に動かし、その出力から対象物体表面の微小な質感計測を評価した結果について以下説明する。

人間の指先のアクティブタッチで感じることのできる例として、ＰＰＣ用紙の印刷の有無による質感の違いと紙幣表面の凹凸の検知を試みた。
（多軸触覚センサによる紙表面の質感の検知）
以下では、以上説明したような触覚センサ、特に、図６に示すＮｉＣｒを歪ゲージとする触覚センサにより、印刷のされたコピー用紙および紙幣表面の質感を評価した実験結果を説明する。

すなわち、触覚センサは、図６に示すように配置さている結果、３つのマイクロカンチレバーを１素子とすることで３軸力を計測することが可能である。センサ全体でこの素子を複数個、たとえば、２ｍｍ毎に配置したアレイ構造を形成し、このアレイ構造の範囲にわたって分布三軸力を計測することができる。

図７は、質感計測の実験のための測定系を示す図である。

図７に示すように、治具の先端部分に測定したい物質を貼り付けて、Ｚ軸ステージを動かすことで一定の力でセンサ表面に押し付ける。

その後、ＸＹ軸ステージを動かすことで対象物を動かして、動的な質感計測を行った。このようなＺ軸方向への押しつける垂直圧力およびＸＹ軸ステージの移動速度は、制御装置（図示せず）からの制御信号に応じて可変である。

また、触覚センサに対象物をＺ方向に押し付ける力（垂直圧力）は、ステージに組み込んだ６軸力覚センサ(ニッタ株式会社ＵＦＳ２Ａ−０５)により計測し、一定の力で押しつけられるように、制御されている。

さらに、触覚センサの出力は歪みゲージの電気抵抗値変化をデジタルマルチメーターで計測することにより得る。データのサンプリング周期は６０Ｈｚである。

なお、上記の例では、触覚センサの方をＸＹ軸ステージで動かしているが、対象物の方を動かしてもよい。

（コピー印刷表面の粗さ計測）
触覚センサにプリンタでソリッドインクを印刷したＰＰＣ用紙を一定の力で押し当て、３秒間静止した後、センサを固定した電動ステージを１ｍｍ／ｓｅｃの速度で動かして滑らせたときの抵抗変化を計測した。

ソリッドインクによる印刷では、紙表面のインクの厚みは約１０μｍである。

図８は、紙の表面全体にインクを印刷したものとしていないものに対する触覚センサの抵抗変化率を示す図である。図８においては、静止時の抵抗値を０としている。

いずれの場合も抵抗値はステージを動かし始めて(３秒後)からしばらく上昇し、最大値を取った後減少する。これは静止摩擦状態から滑りの起きた動摩擦状態への移行を示している。

図９は、静止摩擦状態から動摩擦状態への移行の様子を示す概念図である。

水平移動の当初は、静止摩擦力が検知され、最大静止摩擦力を超えると、動摩擦状態となる。これに応じて、エラストマ内のカンチレバーに加わる力も変化する。

図８において、紙の方がインクよりも抵抗値変化が大きいことは摩擦係数がより大きいことを示している。また、動摩擦状態での抵抗変化の傾向が紙とインクの場合で異なっており、これがテクスチャの差によるセンサ出力の違いを生じさせる原因である。

すなわち、触覚センサと紙とをＸＹ軸センサにより、相対的に移動させると、摩擦力により触覚センサは水平方向の力を受ける。この力は動かし始めてから滑り始めるまで最大静止摩擦力まで増大していき、滑り始めると動摩擦状態に移行するのでセンサに印加される力は減少する。これらの変化は物体の摩擦係数によるため、センサの出力の時間変化を計測することにより摩擦状態を検知することができる。

言い換えると、触覚センサと対象物（紙）とが静止状態であるときを基準として、最大静止摩擦力に達するまでの触覚センサの出力値の変化の大きさと、動摩擦状態での触覚センサの出力値の変化の大きさにより、測定対象物の表面の質感を定量化することが可能である。

（紙幣表面の凹凸計測）
図１０は、測定に用いた１万円札の測定対象領域（検知エリア）を示す図である。

図９で示したようなソリッドインクでの結果を基に、アクティブタッチを応用した触覚センサによる紙幣の表面のテクスチャの検知に関して行った実験について説明する。

図１０に示すように、１万円札の裏面右上部は偽造対策として横方向に延びる縞模様を平面の紙の上にインクの盛りによる微小な凹凸形状で構成している。

事前に触針式表面形状測定器(Veeco社 dektak3st)で計測した結果、この縞模様は高さ約３０μｍ、幅約５００μｍである。

図７に示した測定系において、この縞模様部分を触覚センサに対して約２０ｇの力で押し付けて１ｍｍ／ｓの速さで動かし、この凹凸形状によるセンサ出力を計測する。

図１１は、触覚センサによる抵抗値の時間変化を表す図である。

また、図１２は、図１１の抵抗値の時間変化をフーリエ変換して周波数分布として表す図である。

図６に示した構成の触覚センサでは、カンチレバーの長手方向の剪断力に対して大きな出力を示す。そこで、図１１では、計測の結果、最も高い感度が得られた縞模様に対して平行方向に動かしたとき（図１１（ａ））と垂直方向に動かしたとき（図１１（ｂ））のセンサの抵抗値の変化を示し、図１２は、それらを高速フーリエ変換(ＦＦＴ)により変換して求めた周波数特性を示す。すなわち、図１２（ａ）は水平方向の結果であり、図１２（ｂ）は垂直方向の結果であって、図１２において、縦軸の強度は、任意単位である。

ここでは、０ｓ時点でセンサを紙幣面に対して水平に動かし始めている。

図１２より、縞方向に対して平行方向に動かしたときは特定の周波数で高いピーク値を取ることが無いことが分かる。それに対して、垂直方向に動かしたときは２Ｈｚでピーク値をとることが分かる。これは縞方向に対して平行方向に動かす場合は凹凸を通過せず、垂直方向に動かす場合は幅５００μｍの凹凸を速さ１mm/sで進むので、１秒に２回凹凸を通過するため、２Ｈｚのピークがあらわれたことに相当する。

したがって、本センサを対象表面に接触させて移動させること、つまりアクティブタッチによって、高さ３０μｍ、幅５００μｍという非常に細かい凹凸形状を検知できることが分かる。

つまり、インクによる縞模様の高さは、信号の強度に表れ、周波数ピークは、縞のピッチに依存する。真券における縞のピッチは既知の値であるから、センサの移動速度と検出される周波数ピークとを比較することで、被測定対象が真券であるか否かを判別することが可能となる。

以上説明したように、３軸力を検出可能な小型多軸触覚センサを用いてセンサの移動情報を用いて、物体表面の動的な質感計測を実現することが可能である。

したがって、図２〜図６で説明したような小型多軸触覚センサによって人間のアクティブタッチを応用した物体の微細な質感計測が可能である。
すなわち、本実施の形態では、垂直圧力に加え水平方向の剪断力を検出できる多軸触覚センサを用い、これを能動的に対象物に接触させることで生ずる摩擦や振動を３軸の力ベクトルの大きさと方向の変化として捉えることにより、センサの動きとセンサが対象にかける押し圧力（圧力）を調整しながら、対象物の凹凸や摩擦係数の違いを計測することが可能である。

また、物体表面の質感は凹凸だけでなく摩擦係数によっても変わってくるのでその双方を検出できる本発明により質感の違いを動的なセンサ出力の変化として検出できる。この検知原理は人間の表面知覚に近い。また、本実施の形態の多軸触覚センサの場合、従来の光学式計測、あるいは、針式計測に比べて、素子の頑強性が高く、またコストも安い。

また、このような質感計測を人工的な触覚検知として使用すれば、計測できる最小の形状を飛躍的に小さくできることに加え、摩擦状態も同時に計測できることになり、ロボット用やバーチャルリアリティ方面などへ応用することが可能である。

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。

１０紙葉類識別装置、１２判別部、３０質感計測部、３２抵抗計測部、３４計測データ記憶部、３６データ処理部、４０判定パターン記憶部、５０識別処理部、６０搬送路、７０紙幣、２００触覚センサ、ＣＬ１〜ＣＬ４カンチレバー。

Claims

多軸触覚センサ装置と、
前記多軸触覚センサ装置を、被測定物の表面に対して一定の垂直圧力で押し当てつつ、前記表面に平行な方向に指定された速度で、前記多軸触覚センサ装置と前記被測定物とを相対的に移動させるための走査手段と、
予め規定されている測定対象領域についての判定パターンと、前記多軸触覚センサ装置からの信号の時間変化とを格納するための記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記多軸触覚センサ装置の静止状態を基準として、移動に伴う前記多軸触覚センサ装置と前記被測定物との間の摩擦力に対応する前記触覚センサ装置の出力を抽出する質感抽出手段とを備え、
前記質感抽出手段は、前記多軸触覚センサ装置からの出力の時間変化の周波数成分を抽出するための周波数成分抽出手段を含み、
前記判定パターンに基づき、前記走査手段により前記被測定物を相対的に移動させる速度の情報と抽出された前記周波数成分とに応じて、前記被測定物を判別する識別処理手段をさらに備える、物体表面の質感計測装置。
前記質感抽出手段は、前記摩擦力に対応する前記触覚センサ装置の出力として、最大静止摩擦力に達するまでの触覚センサの出力値の変化の大きさと、動摩擦状態での触覚センサの出力値の変化の大きさとを抽出する摩擦力情報抽出部をさらに含み、
前記識別処理手段は、前記摩擦力情報抽出部の出力と前記判定パターンとを比較して判別を実行する、請求項１記載の物体表面の質感計測装置。
前記多軸触覚センサ装置は、複数のセンサ素子を含み、
各前記センサ素子は、
基板と、
前記基板から浮いた傾斜構造を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーにかかる力を検知するための検知素子とを含み、
前記多軸触覚センサ装置は、前記複数のセンサ素子を覆うエラストマ層を備える、請求項１または２に記載の物体表面の質感計測装置。
紙葉類を識別するための紙葉類識別装置であって、
多軸触覚センサ装置と、
前記多軸触覚センサ装置を、前記紙葉類の表面に対して一定の垂直圧力で押し当てつつ、前記表面に平行な方向に指定された速度で、前記多軸触覚センサ装置と前記紙葉類とを相対的に移動させるための走査手段と、
計測対象の紙葉類の種類と関連づけられ予め規定されている測定対象領域についての判定パターンと、前記多軸触覚センサ装置からの信号の時間変化を格納するための記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記多軸触覚センサ装置の静止状態を基準として、移動に伴う前記多軸触覚センサ装置と前記紙葉類との間の摩擦力に対応する前記触覚センサ装置の出力を抽出する質感抽出手段とを備え、
前記質感抽出手段は、前記多軸触覚センサ装置からの出力の時間変化の周波数成分を抽出するための周波数成分抽出手段を含み、
前記質感抽出手段からの出力により、前記判定パターンに基づき、前記走査手段により前記紙葉類を相対的に移動させる速度の情報と抽出された前記周波数成分とに応じて、前記紙葉類の種類または真偽を判別する識別処理手段をさらに備える、紙葉類識別装置。
前記質感抽出手段は、前記摩擦力に対応する前記触覚センサ装置の出力として、最大静止摩擦力に達するまでの触覚センサの出力値の変化の大きさと、動摩擦状態での触覚センサの出力値の変化の大きさとを抽出する摩擦力情報抽出部をさらに含み、
前記識別処理手段は、摩擦力情報抽出部の出力と前記判定パターンとを比較して判別を実行する、請求項４記載の紙葉類識別装置。