JP6943480B2 - Tactile sensor - Google Patents
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Description
本発明は、肉厚柔軟素材の変形を検知するインダクタンス計測式触覚センサに関する。 The present invention relates to an inductance measurement type tactile sensor that detects deformation of a thick flexible material.
肉厚柔軟素材に変形検知機能を与える場合、変形検知機能の耐久性と感度との両立が課題となる。例えば、肉厚柔軟素材の中に配線、センサ素子を埋め込むと、肉厚柔軟素材の大変形時に配線、センサ素子が容易に破壊されてしまう。しかしながら、配線、センサ素子の容易な破壊を回避するために配線、センサ素子を肉厚柔軟素材の底面に配置すると、肉厚柔軟素材の表面部における微小な変形に対するセンサ素子の感度が損なわれる。 When giving a deformation detection function to a thick flexible material, it is an issue to achieve both durability and sensitivity of the deformation detection function. For example, if the wiring and the sensor element are embedded in the thick flexible material, the wiring and the sensor element are easily destroyed when the thick flexible material is greatly deformed. However, if the wiring and the sensor element are arranged on the bottom surface of the thick flexible material in order to avoid easy destruction of the wiring and the sensor element, the sensitivity of the sensor element to minute deformation on the surface portion of the thick flexible material is impaired.
この問題に対して、肉厚柔軟素材の中に磁石を配置し、肉厚柔軟素材の変形に伴う磁石の移動を、肉厚柔軟素材の底面に配置した磁気検知センサ素子によって遠隔で検出する仕組みとすることで、耐久性と感度との両立を図る触覚センサが知られている(特許文献1)。 To solve this problem, a magnet is placed in the thick flexible material, and the movement of the magnet due to deformation of the thick flexible material is remotely detected by a magnetic detection sensor element placed on the bottom surface of the thick flexible material. Therefore, a tactile sensor that achieves both durability and sensitivity is known (Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1のように磁石をそのまま肉厚柔軟素材の中に配置した場合には肉厚柔軟素材に対する触感が損なわれる。この問題を回避するため、微細粒子とした磁石を肉厚柔軟素材の表面に分散させる触覚センサが知られている(特許文献2)。 However, when the magnet is arranged as it is in the thick flexible material as in
また、鉄粉粒子が分散された磁性エラストマ(肉厚柔軟素材)をフレームに固定し、上記フレームを挟んで磁性エラストマの反対側にコイルを配置した触覚センサが知られている(非特許文献1)。 Further, there is known a tactile sensor in which a magnetic elastomer (thick flexible material) in which iron powder particles are dispersed is fixed to a frame, and a coil is arranged on the opposite side of the magnetic elastomer with the frame interposed therebetween (Non-Patent Document 1). ).
しかしながら、特許文献1及び2に記載の上述のような触覚センサは、肉厚柔軟素材の中に磁石が存在するため、以下の問題がある。 However, the above-mentioned tactile sensor described in
まず、磁石となる素材の磁化方向を触覚センサの表面形状に沿って揃える製造工程が触覚センサの高感度化には必須であるため、曲面形状等の複雑な形状をした触覚センサの製造が困難である。 First, it is difficult to manufacture a tactile sensor with a complicated shape such as a curved surface because a manufacturing process that aligns the magnetization direction of the material to be a magnet along the surface shape of the tactile sensor is indispensable for increasing the sensitivity of the tactile sensor. Is.
また、触覚センサの外に漏れる磁束の量が多いため、磁気に弱い対象に触覚センサを接触させることが困難である。また、触覚センサ表面付近にあって表面には触れていない金属が存在すると、漏れる磁束の量に応じて磁場が変化してしまうため、触覚センサの応答が変化してしまう。 Further, since the amount of magnetic flux leaking to the outside of the tactile sensor is large, it is difficult to bring the tactile sensor into contact with an object that is weak against magnetism. Further, if there is a metal near the surface of the tactile sensor that is not in contact with the surface, the magnetic field changes according to the amount of magnetic flux leaking, so that the response of the tactile sensor changes.
そして、磁気の変化を計測するセンサを用いているため、地磁気中でセンサ自体の傾きが変化する状況や、磁場を発する磁石や電気モータが近くに存在する状況での使用に難がある。 Since a sensor that measures changes in magnetism is used, it is difficult to use it in a situation where the inclination of the sensor itself changes in the geomagnetism or in a situation where a magnet or an electric motor that emits a magnetic field is present nearby.
また、非特許文献1に記載の触覚センサは、磁性エラストマに分散された粒子が外力により圧縮され、粒子同士が近づいて密度が高まることによるインダクタンスの変化を検出するので、外力に対するインダクタンスの変化が微小であり、触覚センサの感度が極めて低いという問題がある。 Further, the tactile sensor described in
本発明の一態様は、複雑な形状を容易に実現することができ、磁気に弱い対象に対しても接触させることができ、かつ外部磁場の存在する環境中でも使用可能な感度の高い触覚センサを提供することを目的とする。 One aspect of the present invention is a highly sensitive tactile sensor that can easily realize a complicated shape, can be brought into contact with a magnetically sensitive object, and can be used even in an environment where an external magnetic field exists. The purpose is to provide.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る触覚センサは、基材上に形成された第1柔軟層と、前記第1柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散され、前記第1柔軟層により支持されるように形成された第2柔軟層と、前記基材に形成されて、前記第2柔軟層に作用する外力による前記粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化する一つ以上のコイルと、前記コイルのインダクタンスの変化を計測する計測回路とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the tactile sensor according to one aspect of the present invention has a first flexible layer formed on a base material and a magnetic permeability higher than the magnetic permeability of the first flexible layer. The second flexible layer formed so that the unmagnetized particles are dispersed and supported by the first flexible layer, and the particles formed on the base material by an external force acting on the second flexible layer. It is characterized by including one or more coils whose inductance changes based on displacement and a measurement circuit that measures a change in the inductance of the coil.
本発明の一態様によれば、複雑な形状を容易に実現することができ、磁気に弱い対象に対しても接触させることができ、かつ外部磁場の存在する環境中でも使用可能な感度の高い触覚センサを提供することができる。 According to one aspect of the present invention, a highly sensitive tactile sensation that can easily realize a complicated shape, can be brought into contact with a magnetically sensitive object, and can be used even in an environment where an external magnetic field exists. A sensor can be provided.
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
〔実施形態1〕
図1(a)は実施形態1に係る触覚センサ1の断面図であり、(b)はその下面図であり、(c)は触覚センサ1に設けられたコイル5のインダクタンスを説明するための図である。[Embodiment 1]
FIG. 1A is a cross-sectional view of the
触覚センサ1は、基板2(基材)上に形成された非磁性柔軟層3(第1柔軟層)を備える。非磁性柔軟層3により支持されるように磁性柔軟層4(第2柔軟層)が形成される。磁性柔軟層4には、非磁性柔軟層3の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散される。ただし、基板2と非磁性柔軟層3の間には、磁性柔軟層4よりも透磁率の低い非柔軟素材を挟み込み、この非柔軟素材を基板2の保護面としてもよい。 The
磁性柔軟層4に作用する外力による粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化するコイル5が基板2に形成される。 A
触覚センサ1には、コイル5のインダクタンスの変化を計測するインダクタンス計測回路6(計測回路)が設けられる。 The
磁性柔軟層4に分散される粒子は、Fe系粉末、Ni系粉末、及びCo系粉末のうちの少なくとも一つを含む。ここでは上記粒子が、高い透磁率を有し、比較的容易に入手可能な鉄粉である例を説明する。粒子の形状は、特に限定的ではなく、球状、扁平状、針状、柱状、線状、および不定形のいずれであっても良い。 The particles dispersed in the magnetic
基板2に形成されるコイル5は、渦巻きコイル又は螺旋コイルである。図1(a)(b)は渦巻きコイルの例を示している。 The
基板2は、フレキシブル基板であることが好ましいが、剛性を有する基板であってもよい。また、基板2は、伸縮性を有する基板であってもよく、ゴム状の基板であってもよい。そして、基板2は、導電性の低い素材であれば、硬さや厚さ、表面性状、形状、形態は問わない。例えば、基板2は、木、繊維、樹脂、ガラス、ゴム、セラミックなどにより構成されてもよい。 The
磁性柔軟層4は、非磁性柔軟層3の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子を含み、また、容易に変形可能な弾性体の素材であればよい。例えばエラストマ、弾性発泡体等の柔軟素材により磁性柔軟層4を構成することができる。 The magnetic
非磁性柔軟層3は、磁性柔軟層4を安定に支えることができ、且つ、容易に変形可能な素材であればよく、例えばエラストマ、弾性発泡体を用いることができ、これらのいずれでもよい。もし、非磁性柔軟層3が磁性柔軟層4により密閉されるように構成される場合は、非磁性柔軟層3は気体、液体、例えば、空気、水であってもよい。 The non-magnetic
コイル5は,磁性柔軟層4の弾性変形に基づく接近によりそのインダクタンスが変化するコイルであれば良い。このコイル5には,例えばチップインダクタ、パワーインダクタなど一般の回路部品用コイルを用いることができ、これらのいずれでも良い。さらに、コイル5は、必ずしも基板2から磁性柔軟層4に向かって螺旋状に巻かれた螺旋コイルである必要はなく、基板2の表面上で渦巻くように配線を実装した平面コイル(渦巻きコイル)でもよい。このため、例えばフレキシブル基板などのように薄い柔軟シート上にも平面コイルのコイル5を実装することができる。コイル5の形状は、特に限定的ではなく、円形、四角形、三角形、および不定形のいずれであっても良く、コイル5として動作するインダクタンスを持つ閉回路がコイル5により形成されていれば良い。また、コイル5の直径、厚み、巻き数も特に限定的では無い。 The
触覚センサ1は、磁性柔軟層4に加わった外力の大きさ、又は、外力による磁性柔軟層4の変位自体を、コイル5に接続されたインダクタンス計測回路6により計測可能な電気信号に変換する。 The
ここでインダクタンスとは、下記(式1)に示すように、あるコイルに電流Iを流した際に発生する磁束φを決定するコイル固有の値を意味する。 Here, the inductance means a value peculiar to a coil that determines the magnetic flux φ generated when a current I is passed through a certain coil, as shown in the following (Equation 1).
(磁束φ)=(インダクタンスL)×(電流I) …(式1)、
従って、インダクタンスLの大きなコイルは、より大きな磁束φを発生させる。(Magnetic flux φ) = (Inductance L) × (Current I)… (Equation 1),
Therefore, a coil having a large inductance L generates a larger magnetic flux φ.
図1(c)に示すように、コイル5がソレノイドコイル(螺旋コイル)であり、巻き数N、長さl、断面積Sのコイル5に透磁率μのコアが使用されている場合、コイル5のインダクタンスLは、下記(式2)により決定される。
L=μN2S/l …(式2)、
従って、インダクタンスLは、コイル5のコアの透磁率μに応じて変化する。As shown in FIG. 1 (c), when the
L = μN 2 S / l ... (Equation 2),
Therefore, the inductance L changes according to the magnetic permeability μ of the core of the
図2(a)は触覚センサ1の動作原理を示す断面図であり、(b)は触覚センサ1の外観を示す図であり、(c)は触覚センサ1に設けられた基板2、コイル5、非磁性柔軟層3、及び磁性柔軟層4を示す斜視図である。 FIG. 2A is a cross-sectional view showing the operating principle of the
渦巻き状に形成されたコイル5に向かって磁性柔軟層4を押し下げる外力が加わると、図2(a)に示すように、磁性柔軟層4がコイル5に近づくように弾性変形する。このため、磁性柔軟層4とコイル5との間の位置関係が変化する。コイル5のインダクタンス値は、コイル5の周辺の物質の透磁率の空間分布によって変化する。従って、コイル5のインダクタンス値をインダクタンス計測回路6により計測すると、磁性柔軟層4に外力が加わったことを検出することができる。 When an external force that pushes down the magnetic
また、磁性柔軟層4に加わる外力又は外力により生じる磁性柔軟層4の変位とコイル5のインダクタンス値との間の関係を把握しておけば、磁性柔軟層4に加えられた外力の大きさ又は磁性柔軟層4の変位を、インダクタンス計測回路6により計測されたコイル5のインダクタンス値により推定することができる。 Further, if the relationship between the displacement of the magnetic
図3(a)は触覚センサ1の試作品の外観を示す斜視図であり、(b)は触覚センサ1に設けられた基板2を示す平面図であり、(c)は基板2に設けられたコイル5の平面図であり、(d)は基板2に設けられたコイル5を示す斜視図である。 FIG. 3A is a perspective view showing the appearance of a prototype of the
触覚センサ1の試作品の例示的な寸法は以下のとおりである。触覚センサ1の試作品は、例えば横寸法X1=150mm、縦寸法Y1=150mmの略直方体形状を有する。触覚センサ1の裏面に例えば横寸法X2=60mm、縦寸法Y2=60mmの基板2が設けられる。基板2に渦巻き状のコイル5が形成される。コイル5は、図3(d)に示すように、例えば厚みT=1.6mmの基板2の表面及び裏面に2層に形成される。コイル5は、図3(c)に示すように、例えば直径D=20mm、巻き数N=34、線幅W=0.1mm、線間幅P=0.1mmで構成される。 The exemplary dimensions of the prototype of the
基板2の上に形成される非磁性柔軟層3は、エラストマにより構成され、例えば縦150mm、横150mm、厚さ10mmの寸法を有し、材料はEcoflex30が使用される。 The non-magnetic
非磁性柔軟層3の上に形成される磁性柔軟層4は、エラストマにより構成され、例えば縦150mm、横150mm、厚さ2mmの寸法を有し、材料はEcoflex30が使用される。磁性柔軟層4は鉄粉含有比が例えば体積比20%である。含有鉄粉は粒子径が例えば300μmである。但し、これらの寸法に限定されるものではない。 The magnetic
図4は触覚センサ1の実験装置を示す斜視図である。触覚センサ1に押込み方向の外力を加えたときのコイル5のインダクタンスを測定する実験装置を構築した。 FIG. 4 is a perspective view showing an experimental device of the
この実験装置は、触覚センサ1を搭載する3軸ステージ11と、3軸ステージ11に搭載された触覚センサ1に押込み方向の外力を加えるためのプラスチック製円柱形状で例えば直径10mmの圧子7と、圧子7により触覚センサ1に加えられた外力を測定する3軸フォーストルクセンサ8と、3軸フォーストルクセンサ8により測定された外力を表す信号をAD変換してコンピュータ10に供給するAD変換器9と、触覚センサ1に設けられたコイル5のインダクタンスを測定するインダクタンス計測回路6とを備える。 This experimental device includes a 3-
図5は触覚センサ1に押し込まれた圧子7の押込み深さと経過時間との間の関係を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the pushing depth of the
直径10mmの圧子7によりコイル5の中心に対応する磁性柔軟層4の表面を押下した。図5に示すように、押下開始後6秒間は押込み深さを0mmから6mmまで直線的に増加させた。そして、6秒から16秒まで押込み深さ6mmを保持した。次に、16秒から22秒まで、押込み深さを6mmから0mmまで直線的に減少させた。 The surface of the magnetic
図6は触覚センサ1への押下力とコイル5のインダクタンスとの間の関係を示すグラフである。図6に示される曲線C1は、図5に示す実験を10回試行したときに計測されたコイル5のインダクタンスの平均値を表す。領域R1は、上記コイル5のインダクタンスの標準偏差2σ区間の領域を表す。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the pressing force on the
押下力に対するインダクタンスを示す曲線C1は、図6に示すように、ヒステリシスがあるものの、単調増加することが確認された。そして、そのインダクタンスの応答レベルに対するノイズが非常に小さく、信号ノイズ比(SN比)が53dB程度(信号とノイズとの比が約1000)であることが確認された。また、コイル5のインダクタンスの標準偏差2σ区間の領域R1がセンサ応答に比べて非常に狭いことが確認された。 As shown in FIG. 6, it was confirmed that the curve C1 showing the inductance with respect to the pressing force increases monotonically, although there is hysteresis. Then, it was confirmed that the noise with respect to the response level of the inductance was very small, and the signal noise ratio (SN ratio) was about 53 dB (the ratio of the signal to the noise was about 1000). It was also confirmed that the region R1 in the standard deviation 2σ section of the inductance of the
以上のように実施形態1によれば、非磁性柔軟層3により支持されるように形成された磁性柔軟層4に、非磁性柔軟層3の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散される。このため、強磁場の中に磁性柔軟層4を配置して磁石となる素材を磁化させる製造工程が不要になる。この結果、曲面形状等の複雑な形状をした触覚センサの製造が容易になる。 As described above, according to the first embodiment, the magnetic
また、触覚センサ1の外に漏れる磁束の量が少ないため、磁気に弱い対象に触覚センサ1を接触させることができるようになる。また、触覚センサの表面付近にあって触れていない金属によって触覚センサの応答が変化してしまうという問題も軽減される。 Further, since the amount of magnetic flux leaking to the outside of the
そして、磁気を計測する方式ではないため、地磁気中で触覚センサ自体が傾いたり、磁気を発生させる磁石や電気モータなどが近くに存在する状況で触覚センサの応答が変化してしまうという問題も解決される。 And since it is not a method of measuring magnetism, it also solves the problem that the tactile sensor itself tilts in the geomagnetism, or the response of the tactile sensor changes when a magnet or electric motor that generates magnetism is nearby. Will be done.
実施形態1に係る触覚センサ1は、磁性柔軟層4に粒子を分散させる構成であるため、表面の磁性柔軟層4に電流が流れず、従って、安全性が高い。 Since the
実施形態1によれば、外力により歪が生じる磁性柔軟層4及び非磁性柔軟層3には、配線、電気素子等の固形物が存在しない。このため、外力により大変形が生じても配線、電気素子等の破壊が生じない。そして、外力が加わる触覚センサ1の底部の基板2に配置されるのは、コイル5と、コイル5をインダクタンス計測回路6に接続する配線のみである。さらに、コイル5と外力が加わる磁性柔軟層4との間に非磁性柔軟層3が配置される。従って、触覚センサ1の外力に対する耐久性が高い。 According to the first embodiment, the magnetic
さらに、触覚センサ1の表面に形成される磁性柔軟層4は、柔軟であるため、接触対象の形状に馴染む性質を有する。 Further, since the magnetic
また、触覚センサ1の表面付近に固形物が存在しないため、触覚センサ1が接触対象を傷つける恐れが少ない。 Further, since there is no solid substance near the surface of the
そして、磁性柔軟層4、非磁性柔軟層3を含む柔軟部分が傷んだ場合であっても、コイル5を含む基板2の回路部分に何ら変更を加えることなく、柔軟部分を新しいものと交換可能である。柔軟部分の交換に際して位置決めも不要である。 Then, even if the flexible portion including the magnetic
触覚センサ1は、小さな外力で変形する柔軟層(磁性柔軟層4、非磁性柔軟層3)の変形を検知する方式であり、最表面の変形を検知する方式であるため、高い検知感度を実現することができる。 The
コイル5は、平面コイル(渦巻きコイル)である場合、導電性インクの基板への印刷により形成することが可能であるため、触覚センサ1は大量生産が容易になる。 When the
非磁性柔軟層3の厚みを減らすことにより、又は、非磁性柔軟層3の剛性を下げることにより触覚センサ1の感度を高めることができる。このように、非磁性柔軟層3の材料特性を調整することにより、触覚センサ1の感度を調整することができる。これにより、磁性柔軟層4の粒子の含有量を増やしたり、より高いインダクタンスのコイル5を採用したり、より強い電流をコイル5に流したりすることなく、非磁性柔軟層3の材料特性を調整するだけで、触覚センサ1の感度を調整することができる。 The sensitivity of the
非磁性柔軟層3の厚みを増やすことにより、又は、非磁性柔軟層3の剛性を上げることにより触覚センサ1の測定幅を広げることができる。このように、非磁性柔軟層3の材料特性を調整することにより、触覚センサ1の測定幅を調整することができる。 The measurement range of the
さらに、非磁性柔軟層3は、必ずしも単一の材料(層)で構成されている必要はなく、例えば剛性の異なる複数の層が表面に垂直の方向に折り重なった構成となっていてもよい。このような構成とすることで、感度と測定幅の調整がより容易になる。 Further, the non-magnetic
非特許文献1に記載の触覚センサは、磁性エラストマが外力で圧縮されることによるインダクタンスの変化を検出するが、実施形態1に係る触覚センサ1は、磁性エラストマ(磁性柔軟層4)が外力で変位することによるインダクタンスの変化を検出する点で相違する。非特許文献1では、磁性エラストマに分散された粒子が外力により圧縮され、粒子同士が近づいて密度が高まることによるインダクタンスの変化を検出するが、実施形態1に係る触覚センサ1は、磁性エラストマ(磁性柔軟層4)が変位し、磁性エラストマに分散された粒子が全体として一方向に変位してコイル5に近づいたり離れたりすることによるインダクタンスの変化を検出する点で異なる。非特許文献1の磁性エラストマはフレームに固定されており、コイルはフレームを挟んで磁性エラストマの反対側に配置されるので、外力が作用しても磁性エラストマは圧縮されるだけであって変位するわけではない。これに対して、実施形態1に係る触覚センサ1の磁性エラストマ(磁性柔軟層4)に分散された粒子は、外力の作用により変位し、これによりコイル5のインダクタンスが変化する点で、非特許文献1の磁性エラストマと相違する。この結果、実施形態1に係る触覚センサ1は、コイル5のインダクタンスの変化が大きくなり、非特許文献1の触覚センサよりも感度を高くすることができる。 The tactile sensor described in
〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。[Embodiment 2]
Other embodiments of the present invention will be described below. For convenience of explanation, the members having the same functions as the members described in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図7は実施形態2に係る触覚センサ1Aの断面図である。図8(a)は触覚センサ1Aの外観を示す斜視図であり、(b)は触覚センサ1Aに設けられた基板2、コイル5A・5B・5C・5D、非磁性柔軟層3、及び磁性柔軟層4Aを示す斜視図である。図9は触覚センサ1Aに設けられたコイル5A・5B・5C・5Dと磁性柔軟層4Aとの間の関係を模式的に示す平面図である。 FIG. 7 is a cross-sectional view of the
磁性柔軟層(磁性エラストマ、MRE)4Aを空間的に局所配置し、複数個のコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスの変化を計測すると、3次元方向の外力を推定可能な触覚センサ1Aを構築することができる。 When the magnetic flexible layer (magnetic elastoma, MRE) 4A is spatially locally arranged and the change in inductance of a plurality of
2行2列に配置された4個のコイル5A・5B・5C・5Dが基板2に形成される。基板2に垂直な方向から見て、円盤状に形成された磁性柔軟層4Aの一部が各コイル5A・5B・5C・5Dの一部と重なるように、磁性柔軟層4Aが非磁性柔軟層3に埋め込まれる。なお、基板2に垂直な方向から見て磁性柔軟層4Aの一部が各コイルの一部と重なるように複数のコイルを基板2に形成すればよく、例えば、三角形の頂点位置に配置された3個のコイルを基板2に形成してもよい。 Four coils 5A, 5B, 5C, and 5D arranged in 2 rows and 2 columns are formed on the
コイル5A・5B・5C・5Dの各インダクタンスは、円盤状の磁性柔軟層4Aと各コイル5A・5B・5C・5Dとの間の距離に応じて増減し、且つ、基板2に垂直な方向から見た磁性柔軟層4Aと各コイル5A・5B・5C・5Dとの重なり度合いに応じて増減する。従って、コイル5A・5B・5C・5Dの各インダクタンスをインダクタンス計測回路6で計測することにより、3次元方向の接触力が加わった磁性柔軟層4Aの3次元変位を推定することができる。 The inductances of the
各コイル5A・5B・5C・5D、磁性柔軟層4Aの例示的な寸法は以下のとおりである。各コイル5A・5B・5C・5Dは、例えば、直径D1=10mmで構成される。コイル5A・5D間、及び、コイル5B・5C間の距離d1=15mmであり、コイル5A・5B間、及び、コイル5C・5D間の距離d2=15mmである。磁性柔軟層4Aの直径は例えば16mmであり、厚みは例えば3mmである。 Illustrative dimensions of the
図10(a)は磁性柔軟層4AのZ軸方向の変位とコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、(b)は磁性柔軟層4Aに加わった垂直力とコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。 FIG. 10A is a graph showing the relationship between the displacement of the magnetic
非磁性柔軟層3に埋め込まれた磁性柔軟層4Aに、基板2に垂直なZ方向に沿った垂直力を加えると、磁性柔軟層4AがZ方向に移動する。+Z方向に磁性柔軟層4Aが移動すると、全てのコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスが増加し、−Z方向に磁性柔軟層4Aが移動すると、全てのコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスが減少すると予想される。 When a normal force is applied to the magnetic
図10(a)(b)に示すように、+Z方向に沿った垂直力が作用した磁性柔軟層4Aが+Z方向に変位すると、全てのコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスが増加することが確認された。 As shown in FIGS. 10A and 10B, when the magnetic
図11は触覚センサ1Aに設けられたコイル5A・5B・5C・5Dと+X方向に移動する磁性柔軟層4Aとの間の関係を模式的に示す平面図である。図12(a)は磁性柔軟層4AのX軸方向の変位とコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、(b)は磁性柔軟層4Aに加わったX軸方向の剪断力とコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。 FIG. 11 is a plan view schematically showing the relationship between the
非磁性柔軟層3に埋め込まれた磁性柔軟層4Aに、基板2に平行なX方向に沿った剪断力を加えると、磁性柔軟層4AがX方向に移動する。+X方向に磁性柔軟層4Aが移動すると、コイル5A・5Dのインダクタンスが増加し、コイル5B・5Cのインダクタンスが減少すると予想される。そして、−X方向に磁性柔軟層4Aが移動すると、コイル5A・5Dのインダクタンスが減少し、コイル5B・5Cのインダクタンスが増加すると予想される。 When a shearing force along the X direction parallel to the
図12(a)(b)に示すように、X方向に沿った剪断力、X方向に沿った磁性柔軟層4Aの変位に対して、コイル5A・5Dのインダクタンスの変化傾向が一致し、コイル5B・5Cのインダクタンスの変化傾向が一致することが確認された。 As shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), the change tendency of the inductance of the
図13は触覚センサ1Aに設けられたコイル5A・5B・5C・5Dと+Y方向に移動する磁性柔軟層4Aとの間の関係を模式的に示す平面図である。図14(a)は磁性柔軟層4AのY軸方向の変位とコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、(b)は磁性柔軟層4Aに加わったY軸方向の剪断力とコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。 FIG. 13 is a plan view schematically showing the relationship between the
非磁性柔軟層3に埋め込まれた磁性柔軟層4Aに、基板2に平行なY方向に沿った剪断力を加えると、磁性柔軟層4AがY方向に移動する。+Y方向に磁性柔軟層4Aが移動すると、コイル5A・5Bのインダクタンスが増加し、コイル5C・5Dのインダクタンスが減少すると予想される。そして、−Y方向に磁性柔軟層4Aが移動すると、コイル5A・5Bのインダクタンスが減少し、コイル5C・5Dのインダクタンスが増加すると予想される。 When a shearing force along the Y direction parallel to the
図14(a)(b)に示すように、Y方向に沿った剪断力、Y方向に沿った磁性柔軟層4Aの変位に対して、コイル5A・5Bのインダクタンスの変化傾向が一致し、コイル5C・5Dのインダクタンスの変化傾向が一致することが確認された。 As shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b), the change tendency of the inductance of the
以上のように実施形態2によれば、実施形態1の効果に加えて、以下の効果を奏する。即ち、基板2に垂直な方向から見て円盤状に形成された磁性柔軟層4Aの一部が各コイル5A・5B・5C・5Dの一部と重なるように、磁性柔軟層4Aが非磁性柔軟層3に埋め込まれることにより、複数個のコイル5A・5B・5C・5Dのインダクタンスの変化を計測して3次元方向の外力を推定することができる触覚センサ1Aを提供することができる。 As described above, according to the second embodiment, the following effects are exhibited in addition to the effects of the first embodiment. That is, the magnetic
実施形態1及び2に係る触覚センサ1・1Aは、例えば以下の用途に適用することができる。 The tactile sensors 1.1A according to the first and second embodiments can be applied to, for example, the following applications.
まず、ロボット用皮膚センサとして、様々な部位における要求感度や想定外力に合わせて柔軟層(磁性柔軟層4・4A、非磁性柔軟層3)の硬度や厚みを調整して効果的に触覚センサ1・1Aを用いることができる。 First, as a skin sensor for robots, the hardness and thickness of the flexible layer (magnetic flexible layer 4.4A, non-magnetic flexible layer 3) are effectively adjusted according to the required sensitivity and unexpected force in various parts, and the
例えば、ロボットの指先であれば、高い感度が必要であるものの衝撃分散性は要求されないため、柔軟層(磁性柔軟層4・4A、非磁性柔軟層3)を薄くすればよい。大きな衝撃や負荷に耐える必要があるロボットの足裏であれば、柔軟層(磁性柔軟層4・4A、非磁性柔軟層3)の硬度と厚みを増せばよい。高い衝撃分散性が求められるロボットの臀部には、柔軟層(磁性柔軟層4・4A、非磁性柔軟層3)の硬度を下げ、厚みを増せば良い。 For example, in the case of a robot's fingertip, although high sensitivity is required, impact dispersibility is not required, so the flexible layer (magnetic flexible layer 4.4A, non-magnetic flexible layer 3) may be thinned. For the sole of a robot that needs to withstand a large impact or load, the hardness and thickness of the flexible layer (magnetic flexible layer 4.4A, non-magnetic flexible layer 3) may be increased. For the buttocks of a robot that requires high impact dispersibility, the hardness of the flexible layer (magnetic flexible layer 4.4A, non-magnetic flexible layer 3) may be reduced and the thickness may be increased.
また、コイル5の面方向の幅(線間幅P、線幅W)を変えることで、部位ごとに適した触覚センサ1・1Aの空間解像度を容易に実現し、不要なセンサチャンネル数を省くことができる。例えば、高い空間解像度が求められるロボットの指先では狭い幅のコイル5とし、ロボットの背中や臀部では広い幅のコイル5とすればよい。 Further, by changing the width of the
さらに、介護ロボットやペットロボットのような人が触れ合うロボットの表面に触覚センサ1・1Aを用いる場合には、安全かつ感度の良い触覚表面とすることができる。これと同時に、柔軟層(磁性柔軟層4・4A、非磁性柔軟層3)の硬度や厚みの分布を変えたり、柔軟層中に繊維や柔軟管を配置することによって、触覚センサ1・1Aのさわり心地を動物の皮膚に近づけるなどの工夫を凝らすことができる。 Further, when the tactile sensors 1.1A are used on the surface of a robot that a person touches, such as a care robot or a pet robot, the tactile surface can be made safe and sensitive. At the same time, by changing the distribution of hardness and thickness of the flexible layer (magnetic flexible layer 4.4A, non-magnetic flexible layer 3) and arranging fibers and flexible tubes in the flexible layer, the tactile sensor 1.1A It is possible to devise ways to bring the touch feeling closer to the skin of animals.
安全性と衛生性とが求められる、人の体や臓器に触れる医療器具の先端に設けられる接触センサとしての活用にも触覚センサ1・1Aは適している。例えば、内視鏡や腹腔鏡手術の際に、手術対象部の組織の硬さを測ったり、手術中に過度な負荷を人体に与えていないかを把握するといったことが触覚センサ1・1Aにより可能になる。このような用途においては、使用した後に表面の柔軟層(磁性柔軟層4・4A、非磁性柔軟層3)を新品に交換するだけで衛生性が保たれる。触覚センサ1・1Aのコイル部分や柔軟層には人体を傷つける恐れのある突起物や大電流回路がないため、強く押し付けても安全である。 The tactile sensors 1.1A are also suitable for use as a contact sensor provided at the tip of a medical device that touches the human body or organs, which requires safety and hygiene. For example, during endoscopic or laparoscopic surgery, the tactile sensor 1.1A can be used to measure the hardness of the tissue of the surgical target area and to grasp whether or not an excessive load is applied to the human body during the surgery. It will be possible. In such applications, hygiene can be maintained simply by replacing the surface flexible layer (magnetic flexible layer 4.4A, non-magnetic flexible layer 3) with a new one after use. Since the coil portion and flexible layer of the tactile sensor 1.1A do not have protrusions or large current circuits that may damage the human body, it is safe to press them strongly.
乱暴に扱われ得る玩具に触覚センサ1・1Aを搭載すると、玩具の柔らかい感触と安全性とを損なわずに触覚機能を玩具に追加し、エンターテインメント性や教育効果などの玩具の付加価値を高めることができる。例えば、握ることでストレスを解消するような弾力感のあるボールに触覚センサ1・1Aを搭載し、握られた強さに応じて音や光の演出を行うことで、ストレス解消効果の増加が期待できる。また、子供が遊ぶ人形の柔らかい部分にこの触覚センサ1・1Aを搭載すれば、強く握ったり乱暴に扱った際に、「痛いよ」と人形に言わせるような機能が追加できる。 If a toy that can be handled roughly is equipped with a tactile sensor 1.1A, the tactile function will be added to the toy without impairing the soft feel and safety of the toy, and the added value of the toy such as entertainment and educational effects will be increased. Can be done. For example, the stress-relieving effect can be increased by mounting the tactile sensor 1.1A on a ball that has elasticity that relieves stress by gripping it, and producing sound and light according to the strength of the grip. You can expect it. In addition, if the tactile sensor 1.1A is mounted on the soft part of the doll that the child plays, it is possible to add a function that makes the doll say "It hurts" when it is gripped strongly or handled roughly.
マッサージチェアや操縦席シート、枕など、心地よさが必要な人との接触面に触覚センサ1・1Aを搭載することで、心地よさを損なわず、人の接触状態を検知し、より快適な状態へと誘導することが可能になる。例えば、接触状態の記録と、人の心地よさの評価とを対応付けてデータを蓄積することで、心地よくない状態になってしまっている場合に、どうすれば心地よい状態になるか(もう少し右に寄るとよい、など)を人にアドバイスする機能がマッサージチェア等に搭載できる。 By mounting the tactile sensors 1.1A on the contact surface with people who need comfort, such as massage chairs, cockpit seats, and pillows, the comfort is not impaired, and the contact state of people is detected for a more comfortable state. It becomes possible to guide to. For example, by accumulating data by associating the record of the contact state with the evaluation of the comfort of a person, how to make the state comfortable when the state becomes uncomfortable (when moving a little further to the right). A function to advise people on (good, etc.) can be installed in massage chairs and the like.
筋肉トレーニング機器や美顔器などの健康器具に、接触状態を加味した動作調整機能を搭載し、効果を高める用途で触覚センサ1・1Aを使用できる。例えば、体の一部に押し当てた状態で振動したり電気刺激を与えることで筋肉トレーニング効果や美顔効果を与える機器の接触面に触覚センサ1・1Aを搭載し、強く接触している箇所とそうでない箇所で、振動や刺激の量を変えることが可能になる。 The tactile sensor 1.1A can be used for the purpose of enhancing the effect by equipping health equipment such as muscle training equipment and facial equipment with a motion adjustment function that takes into account the contact state. For example, a tactile sensor 1.1A is mounted on the contact surface of a device that gives a muscle training effect or a facial beauty effect by vibrating or applying electrical stimulation while being pressed against a part of the body, and is in strong contact with the part. Where not, it is possible to change the amount of vibration and stimulation.
食品を扱うロボットのエンドエフェクタに取り付ける触覚センサとしても触覚センサ1・1Aは適している。触覚センサ1・1Aの表面の磁性柔軟層4・4Aが柔軟であるため、柔らかい食品を傷つけにくい。触覚センサ1・1Aは表面の洗浄や交換が容易であるため、衛生性も確保できる。触覚センサ1・1Aは表面の素材として、調理器具にも使用されているシリコンゴムが利用できるため、安全適合性も高い。 The tactile sensors 1.1A are also suitable as tactile sensors attached to the end effectors of robots that handle food. Since the magnetic flexible layers 4.4A on the surface of the tactile sensor 1.1A are flexible, it does not easily damage soft foods. Since the surface of the tactile sensors 1.1A can be easily cleaned and replaced, hygiene can be ensured. Since the tactile sensor 1.1A can use silicone rubber, which is also used for cooking utensils, as the surface material, it has high safety compatibility.
(まとめ)
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る触覚センサは、基材上に形成された第1柔軟層と、前記第1柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散され、前記第1柔軟層により支持されるように形成された第2柔軟層と、前記基材に形成されて、前記第2柔軟層に作用する外力による前記粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化する一つ以上のコイルと、前記コイルのインダクタンスの変化を計測する計測回路とを備えたことを特徴とする。(summary)
In order to solve the above problems, the tactile sensor according to one aspect of the present invention has a first flexible layer formed on a base material and a magnetic permeability higher than the magnetic permeability of the first flexible layer. The second flexible layer formed so that the unmagnetized particles are dispersed and supported by the first flexible layer, and the particles formed on the base material by an external force acting on the second flexible layer. It is characterized by including one or more coils whose inductance changes based on displacement and a measurement circuit that measures a change in the inductance of the coil.
この特徴によれば、第1柔軟層により支持されるように形成された第2柔軟層に、第1柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散される。この粒子は磁化されていなくてもその変位によって前記コイルのインダクタンスの変化が生じるため、強磁場の中に第2柔軟層を配置して磁石となる素材を磁化させる製造工程が不要になる。この結果、曲面形状等の複雑な形状をした触覚センサの製造が容易になる。 According to this feature, unmagnetized particles having a magnetic permeability higher than that of the first flexible layer are dispersed in the second flexible layer formed so as to be supported by the first flexible layer. .. Even if the particles are not magnetized, the displacement of the particles causes a change in the inductance of the coil, so that a manufacturing step of arranging a second flexible layer in a strong magnetic field to magnetize the material to be a magnet becomes unnecessary. As a result, it becomes easy to manufacture a tactile sensor having a complicated shape such as a curved surface shape.
そして、触覚センサの外に漏れる磁束の量が少ないため、磁気に弱い対象に触覚センサを接触させることできるようになる。 Since the amount of magnetic flux leaking out of the tactile sensor is small, the tactile sensor can be brought into contact with an object that is weak against magnetism.
また、磁気の変化を計測するセンサを用いていないため、外部磁場の存在する環境中でも触覚センサが使用可能となる。 Further, since the sensor for measuring the change in magnetism is not used, the tactile sensor can be used even in an environment where an external magnetic field exists.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記粒子が、Fe系粉末、Ni系粉末、及びCo系粉末のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, it is preferable that the particles contain at least one of Fe-based powder, Ni-based powder, and Co-based powder.
上記構成によれば、Fe系粉末、Ni系粉末、及びCo系粉末のうちの少なくとも一つを含む粒子が変位することにより、コイルのインダクタンスが変化する。 According to the above configuration, the inductance of the coil changes due to the displacement of the particles containing at least one of the Fe-based powder, the Ni-based powder, and the Co-based powder.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記粒子が、鉄粉を含むことが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, it is preferable that the particles contain iron powder.
上記構成によれば、高い透磁率を有し、比較的容易に入手できる粒子を第2柔軟層に分散させる粒子に使用することができる。 According to the above configuration, it can be used as particles having a high magnetic permeability and dispersing particles that are relatively easily available in the second flexible layer.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記コイルが、平面コイルとソレノイドコイルとの少なくとも一方を含むことが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, it is preferable that the coil includes at least one of a flat coil and a solenoid coil.
上記構成によれば、平面コイル、ソレノイドコイルのインダクタンスが、第2柔軟層に作用する外力による粒子の変位に基づいて変化する。 According to the above configuration, the inductances of the planar coil and the solenoid coil change based on the displacement of the particles due to the external force acting on the second flexible layer.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記基材が、フレキシブル基板であることが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, it is preferable that the base material is a flexible substrate.
上記構成によれば、ロボットの曲面形状等の複雑な形状をした部位に触覚センサを搭載することができる。 According to the above configuration, the tactile sensor can be mounted on a portion having a complicated shape such as a curved surface shape of a robot.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記第2柔軟層が、エラストマ又は弾性発泡体を含むことが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, it is preferable that the second flexible layer contains an elastomer or an elastic foam.
上記構成によれば、容易に変形可能な弾性体の素材により第2柔軟層を構成することができる。 According to the above configuration, the second flexible layer can be formed of an elastic material that can be easily deformed.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記コイルが複数個配置され、前記基材に垂直な方向から見て前記第2柔軟層の一部が各コイルの一部と重なるように、前記第2柔軟層が前記第1柔軟層に埋め込まれることが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, the first coil is arranged so that a part of the second flexible layer overlaps a part of each coil when viewed from a direction perpendicular to the base material. 2 It is preferable that the flexible layer is embedded in the first flexible layer.
上記構成によれば、3次元方向の外力を推定することができる。 According to the above configuration, the external force in the three-dimensional direction can be estimated.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記コイルが、2行2列に配置された4個のコイルであるか、又は、三角形の頂点位置に配置された3個のコイルであり、前記第2柔軟層が円盤状に形成されることが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, the coils are four coils arranged in two rows and two columns, or three coils arranged at the apex positions of a triangle. 2 It is preferable that the flexible layer is formed in a disk shape.
上記構成によれば、簡単な構成で3次元方向の外力を推定することができる。 According to the above configuration, the external force in the three-dimensional direction can be estimated with a simple configuration.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記粒子の変位が、前記基材に垂直な方向に沿った粒子の変位と、前記基材の表面の方向に沿った粒子の変位とを含むことが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, the displacement of the particles may include the displacement of the particles along the direction perpendicular to the base material and the displacement of the particles along the direction of the surface of the base material. preferable.
上記構成によれば、3次元方向の第2柔軟層の変位を推定することができる。 According to the above configuration, the displacement of the second flexible layer in the three-dimensional direction can be estimated.
本発明の一態様に係る触覚センサは、前記第1柔軟層の厚み及び剛性が、前記触覚センサの感度及び測定幅を調整するように設定されることが好ましい。 In the tactile sensor according to one aspect of the present invention, it is preferable that the thickness and rigidity of the first flexible layer are set so as to adjust the sensitivity and measurement width of the tactile sensor.
上記構成によれば、第1柔軟層の材料特性の調整により、触覚センサの感度及び測定幅を調整することができる。 According to the above configuration, the sensitivity and measurement width of the tactile sensor can be adjusted by adjusting the material properties of the first flexible layer.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, new technical features can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
1 触覚センサ
2 基板(基材)
3 非磁性柔軟層(第1柔軟層)
4 磁性柔軟層(第2柔軟層)
5 コイル
6 インダクタンス計測回路(計測回路)1
3 Non-magnetic flexible layer (first flexible layer)
4 Magnetic flexible layer (second flexible layer)
5
Claims (9)
前記第1柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散され、前記第1柔軟層により支持されるように形成された第2柔軟層と、
前記基材に形成されて、前記第2柔軟層に作用する外力による前記粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化する一つ以上のコイルと、
前記コイルのインダクタンスの変化を計測する計測回路とを備え、
前記コイルが複数個配置され、
前記基材に垂直な方向から見て前記第2柔軟層の一部が各コイルの一部と重なるように、前記第2柔軟層が前記第1柔軟層に埋め込まれたことを特徴とする触覚センサ。The first flexible layer formed on the base material and
A second flexible layer formed so that unmagnetized particles having a magnetic permeability higher than the magnetic permeability of the first flexible layer are dispersed and supported by the first flexible layer,
One or more coils formed on the substrate and whose inductance changes based on the displacement of the particles by an external force acting on the second flexible layer.
It is equipped with a measurement circuit that measures changes in the inductance of the coil.
A plurality of the coils are arranged,
A tactile sensation characterized in that the second flexible layer is embedded in the first flexible layer so that a part of the second flexible layer overlaps a part of each coil when viewed from a direction perpendicular to the base material. Sensor.
前記第2柔軟層が円盤状に形成される請求項1に記載の触覚センサ。The coils are four coils arranged in two rows and two columns, or three coils arranged at the apex positions of a triangle.
The tactile sensor according to claim 1, wherein the second flexible layer is formed in a disk shape.
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