JP6991791B2 - 複合センサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波により近接した対象物と距離を検出する近接覚センサの機能と対象物の接触圧を検出する触覚センサの機能を備えた複合センサに関する。

ロボットハンドが物体をつかむ際、カメラなどで撮影した画像情報を元にして、制御が行われる。しかし、ロボットハンドが物体に近接、または接触した際には、カメラなどの画像情報では捕捉できる情報に限界がある。そのため、それを補うために、ロボットハンドの先端部にセンサを配置する構成が提案されている。

ロボットハンドの先端部に配置するセンサとして、近接覚センサと触覚センサが複合したセンサを用いると、物体に対してより詳細な情報を取得することができ、ロボットハンドの制御をより詳細に行うことができる。

特開２０１２－１４１２５６号公報 特開２０１２－２１５５３３号公報

近接覚センサでは、測定対象物（物体）に対して超音波を送信し、測定対象物で反射して戻ってくる超音波を受信して、距離を測定している。そのため、測定対象物との距離が著しく近すぎると、送信から受信までの間隔が短くなりすぎて、距離が検出することが難しいという問題がある。そのため、特許文献１で記載されているように距離で接触の判定を行う構成では、距離が近すぎると、対象物との距離が著しく近くなっているのか、対象物と接触しているのかを判別することが難しくなる。

一方、触覚センサでは、対象物からの圧力を検出するために、一定量のダイナミックレンジを確保する必要がある。そのため、特許文献２で記載されているように圧力測定用のセンサで接触の判定を行う構成では、接触付近での微小な圧力変化を正確に検出することが難しい。

このように、超音波により近接した対象物と距離を検出する近接覚センサと、対象物との接触強度を検出する触覚センサを複合したセンサでは、対象物とセンサが接触する付近で、センサの不感帯が発生してしまう。そのため、対象物とセンサとの接触を正確に把握することが難しい。

本発明は、測定対象物との接触を精度良く把握することができる近接覚センサの機能と触覚センサの機能を備えた複合センサを提供することを目的とする。

本発明により提供される本発明の複合センサは、超音波を送信し、測定対象物から戻ってきた超音波を受信することで、前記測定対象物との距離を測定する距離測定手段と、前記測定対象物から印加される圧力を測定する圧力測定手段と、を備える複合センサであって、前記測定対象物との接触の有無を検出する接触検出手段を有していることを特徴とする。

本発明によると、測定対象物との接触の有無を検出する接触検出手段を有することにより測定対象物との接触を精度良く把握することができる近接覚と触覚の複合センサを提供することができる。

本発明に係る複合センサを説明する模式図である。 第１の実施形態の別の形態を説明する模式図である。 第１の実施形態の別の形態を説明する模式図である。 第１の実施形態の別の形態を説明する模式図である。 第１の実施形態の別の形態を説明する模式図である。 第２の実施形態を説明する模式図である。 第２の実施形態を説明する模式図である。 第２の実施形態を説明する模式図である。 第２の実施形態を説明する模式図である。 第２の実施形態を説明する模式図である。 第３の実施形態を説明する模式図である。 第４の実施形態を説明する模式図である。 第５の実施形態を説明する模式図である。 第５の実施形態を説明する模式図である。 第５の実施形態を説明する模式図である。 第５の実施形態を説明する模式図である。 第６の実施形態を説明する模式図である。 第６の実施形態を説明する模式図である。 第７の実施形態を説明する模式図である。 第７の実施形態を説明する模式図である。 第７の実施形態を説明する模式図である。 第８の実施形態を説明する模式図である。 第８の実施形態を説明する模式図である。 第８の実施形態を説明する模式図である。

本発明では、距離測定手段（近接覚センサ）と圧力測定手段（触覚センサ）に加えて、対象物がセンサ表面に接触時の検出を行うことに特化した接触検出手段（接触センサ）を有していることが特徴的である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形、変更が可能である。

（第１の実施形態）
図１を用いて、本発明の複合センサを説明する。図１は、本発明の近接覚と触覚の複合センサの模式図である。図１において、１０はロボットハンドの先端部、１００は複合センサ、１０１は距離測定手段（近接覚センサ）、１０２は圧力測定手段（触覚センサ）、１０３は接触検出手段（接触センサ）、９９は対象物（物体）、２０１は距離測定信号、２０２は圧力測定信号、２０３は接触検出信号である。

本発明では、複合センサ１００毎に、距離測定手段１０１、圧力測定手段１０２に加えて、対象物との接触を検知することに特化した接触検出手段１０３を有していることが特徴的である。

距離測定手段１０１は、超音波を発生して、対象物９９に対して超音波の送信を行う機能を有している。対象物９９に照射された超音波は、対象物の界面での音響インピーダンス差により、対象物の表面で反射される。対象物９９で反射された超音波は、一部が距離測定手段１０１に戻ってくる。距離測定手段１０１では、戻ってきた超音波を受信して、送信した時間から、受信した時間までの期間（時間間隔）を計測する機能を有している。超音波は、伝搬した経路長に対応して、送信から受信までに時間間隔ｔが発生するため、この時間間隔ｔを測定することで、対象物までの距離を測定することができる。距離測定手段１０１は、この時間間隔ｔを元に対象物までの距離を算出して、距離測定信号２０１を出力する機能を有している。

ここで、発生させる超音波は一定幅の時間を有しているので、時間間隔がその幅以下になると測定することが難しくなる。また、送信に用いる駆動信号によるノイズ、送信・受信手段の有するリンギング特性により、測定できる時間間隔がより広くなることがある。

距離測定手段１０１としては、ロボットハンドに用いる場合は数センチ以下の距離を測定できる仕様であることが望ましい。また、距離測定手段１０１内の超音波送受信手段としては、超音波の送信、受信を行うことができるものであれば、用いることができ、例えば圧電体を使用することで容易に実現することができる。また、超音波の送信、受信の時間間隔ｔを測定、信号出力する手段としては、マイコンや、アナログ回路とロジック回路を組み合わせることで、容易に実現することができる。

圧力測定手段１０２は、対象物に接触した時の圧力の大きさに応じて、圧力測定信号２０２を出力する機能を有している。対象物９９から加えられる圧力を測定することができるものであれば用いることができ、例えば圧電体を使用することで容易に実現することができる。複合センサをロボットハンドの先端部１０などに配置した場合には、物体を保持する際に、ハンドから物体に印加されている把持力の大きさ（圧力の大きさ）を正確に把握して、印加する把持力を最適に制御することが必要になる。よって、測定できる圧力の範囲は、広いダイナミックレンジが必要となり、圧力測定手段１０２の感度設定は、最大の把持力を基準にする必要がある。そのため、圧力測定手段１０２では、微小な圧力を検出する分解能をそれほど高くすることができない。

接触検出手段１０３は、対象物９９とセンサ１００が接触したことを検出して、接触検出信号２０３を出力する。接触検出手段１０３は、対象物９９とセンサ１００との接触の有無のみを検出するために、物体の接触し始めの状態での圧力に対して非常に感度が高くなるようになっている。その代り、圧力が少し大きくなると、検出される信号が飽和され、通常の圧力測定では使用できない感度特性となっている。言い換えると、接触検出手段１０３は、物体との接触後に大きな圧力が印加された状態では、センサは飽和していまい、検出動作を行っていない側面がある。このように、圧力測定手段１０２が有する圧力の検出範囲の小さな圧力側と、接触検出手段１０３が有する圧力の検出範囲の大きな圧力側は、一部重なっており、お互いの圧力検出範囲を補完する関係となっている。

接触検出手段１０３は、対象物９９がセンサ１００表面に接触することにより、接触検出信号２０３を出力するものであれば、用いることができる。具体的には、薄膜のメンブレンを備えており、メンブレンに微小な圧力が印加された際のメンブレンの微小な歪みを検出する構成とすることで容易に実現することができる。

このように、本発明では、圧力測定手段１０２が有する検出感度レンジと、異なる検出感度レンジを有する接触検出手段１０３を別に備えていることが特徴である。そのため、接触前の対象物９９とセンサ１００間の距離測定と、接触後の対象物９９からセンサ１００に与える圧力に加えて、対象物９９がセンサ１００表面に接触した有無を把握することができる。

以上のように、本発明によると、対象物の接触を精度よく把握することができる近接覚と触覚の複合センサを提供することができる。

図２～図１０を参照して本実施形態に関連する他の形態を説明する。図２（ａ）では、出力信号切り替え手段１０４を備えている。出力信号切り替え手段１０４では、接触検出手段１０３で得られる接触検出信号２０３を基にして、距離検出信号２０１と圧力測定信号２０２が、無出力信号と切り替えて、出力信号２０３として出力される。具体的には、接触検出信号２０３が接触を検出していた時は、距離検出信号２０１は無出力信号状態となり、圧力測定信号２０２が出力信号２０３として出力される。一方、接触検出信号２０３が非接触を検出していた時は、距離検出信号２０１が出力信号２０３として出力され、圧力測定信号２０２が無出力信号状態となる。

図２（ａ）の構成により、距離検出信号２０１と圧力測定信号２０２を見るだけで、接触・非接触状態を判定することができ、外部で接触検出信号２０３を基にして、距離検出信号２０１と圧力測定信号２０２の処理を行う必要がなくなり、システム側でセンサからの出力信号の処理を低減することができる。

図２（ｂ）を参照して他の形態を説明する。図２（ｂ）では、接触の検出に、接触検出手段１０３での検出に加えて、距離検出信号２０１と圧力測定信号２０２も用いることが特徴的である。具体的には、距離検出信号２０１が最小検出距離となっており、且つ圧力測定信号２０２が最小検出圧力となっており、かつ接触検出手段１０３で接触が検出された時に、接触判定手段１０５から、接触判定信号２０４が出力される。図２（ｂ）の構成では、複数の情報により接触を検出するために、接触の誤検出を少なくすることができ、対象物と接触を確実に検出することができる。

図３、図４を参照して更に他の形態を説明する。図３の形態では、距離検出モード３０１と、圧力検出モード３０２、接触検出モード３０３を切り替える手段を有していることが特徴的である。図４に示すように、距離検出モード３０１の時は、距離測定手段１０１と接触検出手段１０３が動作状態になっており、圧力測定手段１０２は非動作状態になっている。一方、圧力検出モード３０２時には、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３が動作状態になっており、距離測定手段１０１は非動作状態になっている。具体的には、圧力測定信号２０２が最小検出圧力となっており、且つ距離検出信号２０１が最小検出距離でない時に、距離検出モードが選択されている。一方、距離検出信号２０１が最小検出距離となっており、圧力測定信号２０２が最小検出圧力でない時に、圧力検出モードが選択されている。更に、距離検出信号２０１が最小検出距離となっており、且つ圧力測定信号２０２が最小検出圧力となっている時には、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３が動作状態になっている。

図４に、一例として、「接触検出モード３０３→距離検出モード３０１→接触検出モード３０３→圧力検出モード３０２→接触検出モード３０３」とモードが変化した時の距離測定手段１０１と、圧力測定信号２０２、接触検出手段１０３、接触判定手段１０５の動作を模式的に示す。図４において、六角形で表している期間は、対象となる手段が動作していることを示し、線で表している期間は、対象となる手段が動作を停止していることを示す。また、図４は、図２（ｂ）の構成の複合センサを前提に記載したが本発明はこれ限らず、それ以外の構成に関しても同様に用いることができる。

図３では、不要な手段の動作を停止することができるので、全体の消費電力を低減することができる。また、距離測定手段１０１が発生する駆動信号が圧力測定手段１０２の検出時のノイズになる場合、圧力の検出精度を低下させることを低減することができる。一方、圧力測定手段１０２の検出に用いる参照信号が距離測定手段１０１の検出時のノイズになる場合、圧力の検出精度を低下させることを低減することができる。

尚、本実施形態中では、説明のため、各検出手段が最少検出距離、または最少検出圧力が得られる時を、例として説明したが、本形態はこれに限られない。各検出手段が有する検出レンジの中で、最少検出距離に近くなった時、あるいは最少検出圧力に近くなった時を、判定の基準として用いることができ、どのくらい近づいた時に判定するかについては、使用する状況に応じて最適に設定することができる。最少検出距離、または最少検出圧力に近づいた際に判定を行うことで、応答性が高い複合センサを提供することができる。

図５を用いて、本形態の複合センサを用いたロボットハンドシステムを説明する。図５では、フィンガー部２０の先端部に本発明の複合センサ１００を配置している。フィンガー部２０は、フィンガー部駆動手段３０により、固定部３０から支持されている。フィンガー駆動手段３０は内部にモーターなどの駆動機構を有しており、外部からの駆動信号６１を元に、矢印Ａ、Ｂ方向に稼働する機構を有している。複合センサ１００からの出力信号２０１、２０２、２０３はフィンガー位置算出手段５０に入力され、フィンガー位置算出手段では、各フィンガー部２０の複合センサ１００を配置している場所（先端部１０）の位置座標を、入力された信号を元に算出し、フィンガー部位置情報５１として出力する。フィンガー部制御手段６０では、フィンガー部位置情報５１を元にして、フィンガー部２０の駆動を指示するフィンガー部駆動信号６１を生成する。例えば、対象物９９への距離が遠ければ、フィンガー部２０をより近づける処理を行い、フィンガー部２０が対象物９９をつかんでいる力が弱ければ、より強くしたり、対象物９９をしっかりつかめるように、フィンガー部２０の位置を調整したりする。図２（ｅ）では、フィンガー部２０の先端１０に接触の有無、距離、圧力を正確に把握できる複合センサ１００を備えているので、対象物９９に対して、最適なフィンガー部２０への制御を行うことができる。

尚、図５では、２本のフィンガー部２０と、フィンガー部２０が備える駆動手段３０が１つである構成について説明したが、本発明はこの構成に限らない。フィンガー部２０は２本より多い構成でもよいし、フィンガー部２０が備える駆動手段３０が複数ある多関節の指を有する構成でもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３の構成に関する。それ以外は、第１の実施形態と同様である。図６から図１０を参照して第２の実施形態を説明する。

第２の実施形態は、圧電膜、より具体的には圧電体の薄膜を有する薄いメンブレンを用いて、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３を構成していることが特徴的である。

図６は、本実施形態の複合センサを説明する模式的な斜視図である。図６において、４００は基板、４０１、４０２、４０３はメンブレン、４０４は薄膜圧電体、４０５は貫通孔、４０６は弾性体、４０７は荷重分散板である。

メンブレン４０１、４０２、４０３は、複数の貫通孔４０５を配置した基板４００表面に配置されている。貫通孔４０５上のメンブレン４０１、４０２、４０３には、薄い圧電体４０４がそれぞれ配置されている。距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３を構成する各メンブレン４０１、４０２、４０３では、貫通孔４０５の大きさ、圧電体４０４の厚さに加えて、メンブレンの厚さなどが手段毎に最適に調整されているが、基本的な構成は同じである。メンブレン４０１、４０２、４０３は、シリコン窒化膜、シリコン、金属など必要な機械的特性が得られるものであれば、用いることができる。また、基板４００は、シリコン、ガラス、金属、ガラスエポキシなど、必要な機械特性やメンブレンとの密着性、絶縁性が得られるものであれば、用いることができる。

距離測定手段１０１のメンブレン４０１では、圧電薄膜４０４に駆動電圧を印加させて、メンブレン４０１を振動させることで超音波を送信する。一方、反射してきた超音波が到達し、メンブレン４０１を振動させることで、圧電薄膜４０４に発生した電圧を検出することで、受信を行う。

圧力測定手段１０２のメンブレン４０２と、接触検出手段１０３のメンブレン４０３上には、弾性体４０６が配置された構成となっている。弾性体４０６があることにより、対象物９９から印加される圧力を、均一にメンブレン４０２、４０３に伝達することができる。また、弾性体４０６があることで、メンブレン４０２、４０３を対象物９９から保護することもできる。

接触検出手段１０３のメンブレン４０３では、圧力測定手段１０２のメンブレン４０２に比べて、柔らかく、より小さな圧力で大きく撓む構造となっている。具体的には、メンブレンの振動膜の厚さが薄い、メンブレンの大きさが大きいなどの構成とすることで容易に実現することができる。

本実施形態のメンブレンを用いた構成では、同一の基板４００上に同じ製造プロセスで形成することができるので、１チップに集積化することが容易である。加えて、低コストである複合センサを実現することが容易である。さらに、各手段に必要な回路を基板上に集積することが容易となるため、より小型な複合センサを提供することができる。

本実施形態に係わる複合センサは、集積化が容易で、対象物の接触を正確に把握することができる近接覚と触覚の複合センサを提供することができる。

尚、図６（ａ）では、距離測定手段１０１のメンブレン４０１上には、何も配置せず、直接大気に接触している構成としたが、本形態はこれに限らない。図６（ｂ）で示すように、距離測定手段１０１のメンブレン４０１上に弾性体４０６を配置した構成とすることもできる。弾性体４０６を基板４００上に一面に配置するため、作製を容易に行うことができる。さらに、メンブレン４０１の表面が弾性体４０６により保護される機能も追加されるため、対象物９９と接触した際にメンブレン４０１が破損することを防ぐことができる。なお、ここで用いる弾性体４０６は、超音波の透過性がよく、且つメンブレン４０１の機械特性に影響を与えにくい材料（メンブレンの材料より、縦弾性係数よりも小さい材料がより適している）を用いることが望ましい。この材料としては、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）、ウレタンゴムなどから選択することができる。

また、図７に示すように、距離測定手段１０１のメンブレン４０１上の弾性体４０６の厚さを、メンブレン４０２とメンブレン４０３上の弾性体４０６の厚さより薄くすることが望ましい。これにより、超音波の送受信を行う際に弾性体４０６内での超音波の減衰を最小限にすることができるので、大きな送受信信号を取得することができ、より正確な距離測定を行うことができる。

更に、図８に示すように、メンブレン４０２とメンブレン４０３上の弾性体４０６の更に上側には、荷重分散板４０７を配置した構成とすることも好適である。荷重分散板４０７があることにより、対象物９９の表面形状に凹凸などがあり、対象物９９からの圧力が場所毎にばらつきがあった場合でも、平均的な圧力としてセンサに印加されるため、安定した測定を行うことができる。さらに、メンブレン４０２やメンブレン４０３は、図６から図８では、１つしか配置されていないが、実際には、複数のメンブレン４０２や、複数のメンブレン４０３がグループとして配置されている。ここで、メンブレン同士は、配置の制約上ある程度の間隔を置いて配置されているので、基板４００上にメンブレンが無い領域が存在する。しかし、荷重分散板４０７があることで、メンブレンの有無にかかわらず、対象物９９からの圧力が荷重分散板４０７の表面積分の力として集約され、メンブレン４０２、４０３には均一な圧力として印加されるので、正確な測定を行うことができる。

本実施形態の別の形態を、図９を参照して説明する。図９では、基板４００が貫通孔４０５を有しておらず、メンブレン４０１が、基板４００上に配置された支持部４１１上に備えられており、基板４００表面から微小な高さの間隔４１２を有して浮いていることが特徴的である。これにより、メンブレン４０１が超音波の送受信を行う際に振動した場合でも、対象物９９からの圧力を受けてメンブレン４０１が変形した場合でも、メンブレン４０１が基板４００に干渉することなく、測定・検出動作を行うことができる。

図６の構成では、貫通孔４０５を複数配置するためには、基板４００の剛性を確保するために、貫通孔４０５間の距離を一定距離以上離す必要がある。さらに、厚さが数百マイクロメータある厚い基板４００に、貫通孔４０５を形成する際には、側壁に角度（テーパ）が発生してしまい、さらに間隔を離す必要が出てくることもある。そのため、メンブレンン４０１の間隔が、貫通孔４０５間の間隔で決まってしまい、集積度を上げる制約となる。

一方、本形態の別の形態である図９の構成の複合センサ１００は、基板４００に貫通孔４０５を備える必要がないため、前述した制約を受けない。そのため、各メンブレン４０１、４０２、４０３を密集して配置することができ、小型にすることができる。言い換えると、同じセンサ面積であれば、メンブレンの割合を増やすことができるので、センサの測定精度・検出精度を高めることができ、高精度な測定・検出を実施することができる。

また、図１０に示すように、接触検出手段１０３のメンブレン４０３上の荷重分散板４０７の厚さを、圧力測定手段１０２のメンブレン４０２上の厚さに比べて、厚い構成にすることができる。そのため、荷重分散板４０７が基板４００に垂直に同じ距離変位したとしても、圧縮される弾性体４０６の厚さが薄いため、接触検出手段１０３のメンブレン４０３側により大きな圧力が印加され、接触の検出をより正確に行うことができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３の構成に関する。それ以外は、図９に示した構成と同様である。図１１を参照して第３の実施形態を説明する。

第３の実施形態は、薄いメンブレン４０１、４０２、４０３上に配置した電極４２１と、対向する基板４００上に配置した電極４２２間の静電容量を利用して、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３を構成していることが特徴的である。

図１１は、本実施形態に係る複合センサを説明するための模式図である。図１１において、４２１は第１の電極、４２２は第２の電極である。

本実施形態のメンブレン４０１、４０２、４０３は、基板４００上に配置した支持部４１１により、支持されている。メンブレン４０１、４０２、４０３上には、第１の電極４２１が配置され、メンブレン４０１、４０２、４０３と一体となって変形する構成となっている。第１の電極４２１に対向する基板４００上には、第２の電極４２２が配置されている。第１の電極４２１と第２の電極４２２間には、所定の電位差Ｖｂが常に印加されており、メンブレン４０１、４０２、４０３を基板４００側に撓ませ、常に基板４００側に向かってテンションがかかっている状態で使用する。

距離測定手段１０１では、第１の電極４２１と第２の電極４２２間に、交流の電位差を印加することにより、メンブレン４０１を振動させて、超音波の送信を行う。一方、超音波がメンブレン４０１に到達すると、メンブレン４０１が振動し、第１の電極４２１と第２の電極４２２間の静電容量が変化する。第１の電極４２１と第２の電極４２２間には、所定の電位差Ｖｂが常に印加されているので、容量変化に伴い発生した微小電流を検出することで、受信した超音波の大きさを測定することができる。

圧力測定手段１０２では、対象物９９から圧力を印加されることで、メンブレン４０２の撓み量が変化し、その結果第１の電極４２１と第２の電極４２２間の静電容量値が変化する。この静電容量値を測定することで、印加された圧力を把握することができる。静電容量値を測定する手段としては、Ｃ－Ｖ変換回路などを用いることで容易に実現することができる。また、メンブレン４０２が振動しない周波数を選んで、参照信号の周波数を印加して、それに伴う誘導電流を測定し、参照信号の周波数で検波することで、より高精度に容量変化を検出ることができる。

接触検出手段１０３は、同じ圧力が印加された場合、圧力測定手段１０２で変形するメンブレン４０２の大きさより、大幅に大きくメンブレン４０３が変形するように設定されている。具体的には、メンブレン４０３の厚さがより薄く、あるいはメンブレン４０３の径を大きくすることで適切に調整することができる。これにより、メンブレンの面内パターンを変更する、或いはメンブレンとして積層する薄膜の厚さを変えるだけで実現することができるので、容易に実現することができる。

メンブレン４０３の入力圧力に対する変形量を変化させるだけでなく、支持部４１１の高さを低くして、第１の電極４２１と第２の電極４２２間の間隔を狭くして、同じメンブレン４０３の変形量でも静電容量の変化を大きくする方法をとることもできる。これにより、検出信号自体を大きくすることができるので、ＳＮ比をよくことができ、検出精度をより向上させることができる。

更に、第１の電極４２１と第２の電極４２２間に印加する直流の電位差を大きくして、イニシャルのメンブレン４０３の撓みを大きくすることでも、支持部４１１の高さを低くすることと同じ効果を得ることができる。加えて、第１の電極と第２の電極間の電界密度も上がるため、静電容量を検出する際に、より大きな信号を取得することができ、検出精度の向上が見込まれる。

なお、静電容量型のセンサでは、第１の電極と第２の電極間の電位差により発生する静電引力が、メンブレン４０３が有するばねによる復元力の大きさを越えると、メンブレン４０３は基板４００側に引き込まれてしまう（これをプルインと呼ぶ）。そのため、静電容量型センサでは、印加された圧力に対する感度を上げれば上げる程、プルインが発生する圧力の上限が下がってしまい、最大で検出できる圧力の大きさが小さくなる。そのため、本発明のように、大きな圧力まで検出する圧力測定手段１０２と、対象物との接触時の微小な圧力を検出する接触検出手段１０３を異なる手段として設けることで、それぞれの測定・検出がより最適な特性を得やすくなる。

本実施形態では、静電容量型センサを用いているために、基板３００上に距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３を集積することが容易となり、そのため複合センサ全体を小型にすることができる。また、電極４１１、４１２を配置するだけでよく、構成がよりシンプルになるため、第２の実施形態の構成に比べて、より一般的な半導体プロセスでセンサを実現することができ、製造コストを低減することが容易となる。

以上のように、本実施形態によると、小型が容易で、簡単な構成で、対象物との接触を正確に把握することができる近接覚と触覚の複合センサを提供することができる。

尚、本実施形態では、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３が、すべて静電容量型のセンサとして説明したが、これに限らない。第２の実施形態で説明したメンブレン上に薄膜圧電体４０４を形成したセンサと混在させて配置する構成も採用できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、接触検出手段１０３の構成に係るものである。それ以外は、第３の実施形態と同様である。図１２を参照して第４の実施形態を説明する。

第４の実施形態は、メンブレン４０３と基板４００との接触の有無を、接触検出手段１０３の接触の検出に用いることが特徴的である。

図１２において、４２３は接触検知電極である。

本実施形態では、メンブレン４０３の下部に、接触検知電極３１３が配置されている。対象物９９がセンサ表面と接触すると、接触検出手段１０３が有するメンブレン４０３に圧力が加えられる。メンブレン４０３上の第１の電極４２１と第２の電極４２２間には、電位差Ｖｂが印加されており、静電引力が常にかかった状態になっている。ここで、ばねの復元力は、電極間の距離が小さくなると距離に比例するだけだが、静電引力は、電極間の距離が小さくなると距離の二乗に反比例して、静電引力が急激に大きくなることがポイントである。

本実施形態では、メンブレン４０３に外力が印加され、メンブレン４０３が少し撓むと、静電引力がメンブレン４０３の有するばねの復元力を簡単に越えて、メンブレン４０３が下部電極に一気に接触するように調整されている。それにより、対象物９９がセンサ１００表面に接触すると、メンブレン４０３直下の接触検知電極４２３と、基板４００上の第２の電極４２２が電気的に接触し、接触検知電極４２３と第２の電極４２２間の抵抗値を測定することで、対象物９９との接触を容易に検出することができる。

また、図１２（ｂ）で示すように、第２の電極４２２と接触検知電極４２３が一体化している構成を用いることもできる。これにより、メンブレン４０３の下面（基板４００側の面）に電極を形成するだけで、実現することができるので、構成が簡素化できる。この構成では、第１の電極４２１と第２の電極４２２間と、その電極間に電位差Ｖｂを印加する手段５００の経路に、抵抗Ｒが挿入されていることが特徴である。これにより、所定の電位差を有している第１の電極４２１と、第２の電極４２２（接触検知電極４２３）が接触した場合でも、過電流が流れることを防ぐことができ、電極、配線、電位差発生手段の破損や、誤動作を防ぐことができる。

さらに、電極４２１、４２２の代わりに、メンブレン上にピエゾ抵抗素子を配置する構成も用いることができる。対象物９９がセンサ表面に接触することにより、メンブレン４０３が変形した時の微小な撓みによるピエゾ抵抗値の変化を検出することで、接触を検知することができる。さらに、ピエゾ抵抗素子を複数配置して、ホイートストンブリッジを組むことで、接触の有無を正確に把握することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２、接触検出手段１０３の配置に係るものである。それ以外は、第１から第４の実施形態の何れかと同様である。図１３から図１６を参照して、第５の実施形態を説明する。

図１３では、接触検出手段１０３が、複合センサ１００の中央に配置されていることが特徴的である。これにより、ロボットハンドの先端に配置した複合センサ１００が、局面の表面を有した対象物９９に正対して近づく時、最初に接触検出手段１０３が対象物９９に接触することになる。そのため、対象物９９との接触をより早く検出することができる。

また、図１３では、距離測定手段１０１が複数の環状の形状となっており、接触検出手段１０３を囲むように配置されている。距離測定手段１０１は、超音波の送信を行う際には、分離された環状の素子毎に時間差をつけて駆動させ、超音波が絞られる位置を調整することができる。同様に、超音波の受信時にも、分離された環状の素子毎に検出された信号を、時間をずらして加算することで、特定の距離での面内の分解能を高めることができる。このような構成にすることで、所定の距離範囲での超音波の送受信ビームを絞ることができるので、より正確に距離を測定することができる。

図１３では、基板４００上の残った４隅に、圧力測定手段１０２が配置されている。そのため、図６（ａ）の構成を用いることで、小さな面積に効率的に３種類のセンサを配置することができ、小型の複合センサを提供することができる。

本実施形態の別の形態について、図１４を用いて説明する。図１４では、接触検出手段１０３が、複合センサ１００の周辺部に配置されていることが特徴である。ロボットハンドの先端に配置した複合センサ１００が、対象物９９に傾きを有して近づく時、最初に接触検出手段１０３が対象物９９に接触することになる。そのため、対象物９９との接触をより早く検出することができる。

図１３と図１４では、それぞれ接触検出手段１０３を中央と、４隅に配置した構成について記載したが、本発明はこれに限ったものではなく、それぞれを混載させた構成でも用いることができる。これにより、対象物９９が正対している時でも、傾いている時でも、対象物９９との接触をより早く検出することができるため、好適となる。

図１５では、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３が、基板４００の周辺に配置されている構成である。これにより、弾性体４０６と荷重分散板４０７を有する構成の際に、基板４００の周辺に中央を円形にくり抜いた荷重分散板４０７（図１５では点線で表示）を配置する簡素な構成にすることができる。さらに、荷重分散板４０７があることで、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３に対象物９９からの圧力を効率よく伝えることができ正確な測定を行うことができる。更に、基板４００の中央部に配置された距離測定手段１０１上には、荷重分散板４０７が配置されていないので、超音波の送受信を妨げることなく、距離測定を行うことができる。図１５の構成を用いることで、簡素な構成でより正確な検出を行うことができる複合センサを提供することができる。

一方、図１６のように、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３が、基板４００の中央に配置されている構成とすることもできる。これにより、荷重分散板４０７を有する構成の際に、基板４００の中央に円形の荷重分散板４０７（図１６では点線で表示）を配置する簡素な構成にすることができる。さらに、荷重分散板４０７があることで、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３に対象物９９からの圧力を効率よく伝えることができ高精度な測定を行うことができる。更に、基板４００の周辺部に配置された距離測定手段１０１上には、荷重分散板４０７が配置されていないので、超音波の送受信を妨げることなく、距離測定を行うことができる。図１６の構成を用いることで、基板４００上に３種類のセンサを効率的に配置することができ、簡素な構成でより正確な検出を行うことができる複合センサを提供することができる。

尚、図１５、図１６では、基板４００上に、弾性体４０６を介して、荷重分散板４０７を配置した構成について説明した。ここで、弾性体４０６が配置されている領域は、荷重分散板４０７の下部のみでもいいし、基板４００の全面でもよく、どちらの形態でも用いることができる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、測定手段１０１の種類に係るものである。それ以外は、第１から第５の何れかの実施形態と同様である。図１７と図１８を用いて、第６の実施形態を説明する。

ここでは、メンブレンと対向電極を用いた第３の実施形態で説明した静電容量型センサの構成を用いて説明する。図１７、図１８において、１０８は剪断力検出手段、１０８ａは超音波の送受信素子、１０８ｂは超音波の受信素子、Ｘは滑り方向の方向、４０８はメンブレン、４０９は荷重分散板４０７が有する突起である。これらの図では、同じ基板４００上にある圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３は省略し、距離測定手段１０１と剪断力検出手段１０８のみを記載している。

第６の実施形態は、近接覚と触覚、接触覚に加えて、基板面と水平方向の剪断力を検出する手段１０８（滑り覚センサ）を有している。ここでは、第３の実施形態の構成を用いて説明する。剪断力検出手段１０８は、超音波を送受信する素子１０８ａと、超音波を受信する素子１０８ｂから構成される。剪断力検出手段１０８のメンブレン４０８上には、弾性体４０６を介して、荷重分散板４０７が配置されている。超音波を送受信する素子１０８ａ上の荷重分散板４０７には、突起４０９が備えられている。

超音波の送受信素子１０８ａから、荷重分散板４０７の下面に向けて、超音波２１１を送信する。荷重分散板４０７の突起４０９で超音波が反射される。反射した超音波２１２は、超音波の送受信素子１０８ａと、その周辺に配置された超音波の受信素子１０８ｂにより、受信される。対象物９９と複合センサ１００の表面間に、基板面と水平方向の剪断力（滑り力）が発生すると、弾性体４０６は和ら無いため少し変形し、荷重分散板４０７が、基板と水平方向に移動する（例えば、図１７（ａ）では、矢印Ｘの方向）。荷重分散板４０７が平行移動すると、突起４０９の位置が変化して、送受信素子１０８ａや受信素子１０８ｂで受信する超音波の大きさや、遅れ時間が変化する。それらの受信した信号を基にして、荷重分散板４０７の平行移動量を検出することで、対象物９９から複合センサ１００の表面に印加された剪断力を検出することができる。

第６の実施形態では、接触検出手段１０３の接触検出信号２０３を基にして、距離検出手段１０１を動作させるか、剪断力検出手段１０８を動作させるかを、切り替えることが特徴である。具体的には、接触状態を検出していない時には、距離検出手段１０１を動作状態、剪断力検出手段１０８を停止状態とする。一方、接触状態を検出している時には、距離検出手段１０１を停止状態、剪断力検出手段１０８を動作状態とする。距離検出手段１０１と剪断力検出手段１０８は、どちらも超音波を送受信して測定を行うため、片方の検出動作による駆動信号や送信超音波の漏れなどが、もう一方の検出に影響を与えることもある。本実施形態の構成では、接触検出手段１０３を有していることで、前述したように、動作させる手段と、停止させる手段を選択することができる。そのため、片方の測定に用いている超音波が、もう一方の測定に影響を与えることがないため、精度の良い測定を行うことができる。

尚、図１７（ａ）では、荷重分散板４０７が突起４０９を備える構成を説明したが、これに限らない、突起４０９部分に、弾性体４０６を充てんしない空隙４１５を配置する構成などでも、同様の効果を得ることができる。これは、音響インピーダンスの差が大きい境界で、超音波が反射する特性を利用したもので、弾性体４０６の充てんする領域を調整するだけでよいため、簡易な構成で実現することができる。

図１７（ｂ）を用いて、本実施形態の別の形態を説明する。図７（ｂ）では、荷重分散板４０７が穴４１０を有している。剪断力検出手段１０８は、送受信素子１０８ａから構成されており、荷重分散板４０７で送受信素子１０８ａが半分隠れるように、穴４１０を配置している。対象物９９からセンサ１００表面に剪断力が印加され、荷重分散板４０７が例えば矢印Ｘ方向にずれると、穴４１０の位置がずれ、開口している大きさが変化する。そのため、超音波を送信２１１して、荷重分散板４０７で反射してくる超音波２１２の大きさが変化する。その情報を元に、剪断力を測定することができる。図７（ｂ）の構成では、荷重分散板４０７に穴を開けるだけで、剪断力を検出できるので、構成がより簡単にできる。

以上のように、本実施形態によると、小型が容易で、簡単な構成で、対象物の接触をより精度よく把握することができる近接覚と触覚の複合センサを提供することができる。

なお、図１７、図１８では、説明上、１方向の剪断力について説明したが、本発明はこの構成に限ったものではない、面内方向の２方向についての剪断力の測定にも、同様に用いることができる。その際は、図１７（ａ）の突起４０９の形状や、図１７（ｂ）の穴４１０の形状を対応させることで、ほとんど構成を変えることなく、容易に面内２方向の検出を実現することができる。

また、図１７では、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３と、剪断力検出手段１０８を別体で備える構成を説明したが、本実施形態はこれに限らない。図１７（ａ）や図１８の荷重分散板４０７に穴がない構成において、剪断力検出手段１０８を圧力測定手段１０２や接触検出手段１０３と兼用とする構成ととることができる。その場合、剪断力の検出行う時と、圧力の検出や接触の検出を行う時は、時分割で切り分けることで、容易に兼用とすることができる。これにより、データの取得間隔は少し長くなるが、より小型ですべり覚（剪断力検出）を行うことができる複合センサを提供することができる。

尚、図１７では、メンブレンと対向電極を用いた第３の実施形態で記載した静電容量型センサの構成を用いて説明したが、本発明はこれに限らない。第２の実施形態で記載した構成をはじめ、それ以外の構成にも適用することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、距離測定手段１０１の配置に係るものである。それ以外は、第２から第６の実施形態の何れかと同様である。図１９から図２１を参照して、第７の実施形態を説明する。

第７の実施形態は、荷重分散板３０５上に、距離測定手段１０１を配置していることが特徴的である。

図１９から図２１は、本実施形態の複合センサを説明する模式図である。ここでは、メンブレンと対向電極を用いた第３の実施形態で記載した静電容量型センサの構成を用いて説明する。これらの図において、４３０は第２の基板である。

本実施形態では、図１９で示すように、固定された基板（本実施形態内では、便宜上第１の基板と呼ぶ）４００上に弾性体４０６を介して、可動する第２の基板４３０が配置されている。本実施形態の構成では、第２の基板４３０は、荷重分散板４０７としての機能も担う。第２の基板４３０（荷重分散板４０７）は、第１の基板４００を向いた逆の面（対象物９９側）上に、距離測定手段１０１が配置されている。すなわち、第１の基板上に、弾性体を介して、第２の基板が配置されており、第２の基板の前記第１の基板と対向する面とは反対側の面に、距離測定手段を備えている。一方、第１の基板上には、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３のみが配置されている。対象物９９との距離を測定する際には、第２の基板４３０上の距離測定手段１０１から超音波を送受信して、距離の測定を行う。また、対象物９９が、複合センサ１００の表面に接触した後は、第２の基板４３０は、荷重分散板４０７として働くので、第１の基板４００上に配置した圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３に圧力が伝えられ、圧力測定や接触検出を行うことができる。

図１９の構成では、距離測定手段１０１を荷重分散板４０７である第２の基板４３０上に配置しているので、１枚の基板のみを用いる構成に比べて、センサを配置できる領域がほぼ倍となる。そのため、それぞれのセンサの感度を高めることができるので、より高精度な検出を行う複合センサを提供することができる。

また、超音波の送受信を行う距離測定手段１０１と、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３が同じ面上でなく、第２の基板４３０を挟んで配置されているので、超音波の送信信号や、容量検出用の参照信号をシールドする効果がある。そのため、距離測定手段１０１と、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３間での、信号のクロストークを低減することができるため、より高精度な検出を行うことができる。

図２０を用いて、本実施形態の別の形態を説明する。図２０では、圧力測定手段１０２と接触検出手段１０３が、第２の基板４３０の裏面（第１の基板４００側の面）に配置されている。これにより、第２の基板４３０上に、３種類すべてのセンサが配置されているので、センサからの信号出力線や、センサの有する回路への電源供給線を、第２の基板４３０から引き出すだけでよい。そのため、センサの配置エリアを増やしても、配線の引き出しを簡素にすることができる。

本実施形態は、図１９や図２０の形態に限るものではない。図２１に示すように、図１９と図２０の構成を組み合わせた構成とすることも可能である。図２１の構成では、センサの配置エリアをより大きく取ることができるので、更に高精度な複合センサを提供することができる。

ここでは、メンブレンと対向電極を用いた第３の実施形態で記載した静電容量型センサの構成を用いて説明したが、本発明はこれに限らない。第２の実施形態で記載した構成をはじめ、それ以外の構成にも同様に適用することができる。

（第８の実施形態）
第８の実施形態は、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２に関するものである。それ以外は、第１から第７の何れかの実施形態と同様である。図２２から図２４を参照して第８の実施形態を説明する。

第８の実施形態は、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２を兼用していることが特徴的である。図２２から図２４において、１０６は距離・圧力測定兼用手段、１０７は距離・圧力測定切り替え手段、２０５は距離・圧力測定切り替え信号、２０６は検出信号、２０７は距離・圧力測定出力信号、４４０は直流電位印加手段、４４１は切り替え手段、４４２は距離測定用回路、４４３は圧力測定用回路、４４４は切り替え手段、４４５は切り替え手段、４４６は重畳手段である。

まず、図２２の説明を行う。距離・圧力測定切り替え手段１０７は、接触検出手段１０３から出力される接触検出信号２０３を基にして、どちらの測定動作を行うかを選択する構成となっている。具体的には、接触検出信号２０３が接触の検出から非接触の検出に変化した場合は、距離測定動作を行い、非接触の検出から接触の検出に変化した場合は、圧力測定動作を行う。これにより、複合センサ１００（ロボットハンド１０先端）により、対象物９９を離す方向になっているのか、掴まれる方向になっているかを判別することができる。

距離・圧力測定兼用手段１０６は、距離検出手段と圧力測定手段のどちらの検出も行うことができる構成となっており、距離・圧力測定切り替え手段１０７と駆動信号２０５と検出信号２０６をやり取りして、距離測定と圧力測定のどちらかを行う。具体的には、距離測定を行う場合は、距離・圧力測定兼用手段１０６から超音波を送信して、反射して戻ってきた超音波を受信することで距離を測定する。また、圧力測定を行う場合は、距離・圧力測定兼用手段１０６でのメンブレンの撓み量を検出して、圧力として測定する。

本実施形態によると、距離測定手段と圧力測定手段を兼用することができるので、より小型で、対象物の接触を正確に把握することができる近接覚と触覚の複合センサを提供することができる。

図２３を用いて、本実施形態の別の形態を説明する。ここでは、メンブレンと対向電極を用いた第３の実施形態で記載した静電容量型センサの構成を用いて説明する。距離・圧力測定切り替え手段１０７に入力された接触検出信号２０３は、距離・圧力測定兼用手段１０６のメンブレンの電極と接続される回路を、距離測定回路４４２と圧力測定回路４４３のどちらにするかを、切り替え回路４４１を用いて切り替える。距離・圧力測定兼用手段１０６の有する静電容量型センサは、もう一方の電極に直流電位印加手段４４０を接続しており、第１の電極と第２の電極間に、直流電位差Ｖｂが印加されるようになっている。

距離測定回路４４２に接続された場合は、メンブレンの電極に、超音波の送信のための駆動信号２０５を印加して、その後反射して戻ってきた超音波による信号２０６を増幅して、時間の差から距離を測定し、距離測定信号２０１として出力する。一方、圧力測定回路４４３に接続された場合は、距離・圧力測定兼用手段１０６からの容量に対応した信号２０６を増幅して、容量値に換算して、圧力測定信号２０２として出力される。それぞれの出力信号２０１、２０２は、接触検出信号２０３を元にして切り替え回路４４４により、どちらを距離・圧力測定出力信号２０７として出力するかを切り替えられる。

また、図２４で示すように、圧力測定回路４４３は、メンブレンが振動しない周波数の参照信号２０８を、直流電位印加手段の出力電位に、重畳手段４４６により重畳することで、検出される信号２０６を大きくする構成とすることができる。その際、圧力測定用回路４４３では、参照信号２０８の周波数で、検出信号２０５を検波することで容量値に対応した信号を容易に取り出すことができる。

本実施形態の構成によると、接触検出手段１０３を有していることにより、距離測定手段１０１と圧力測定手段１０２を兼用とすることができる。そのため、センサの構成を簡易化することができ、より小型な複合センサを提供することができる。

また、距離測定モードと圧力測定モードを切り替えるため、無駄な超音波の送信を行うことがないため、消費電力の低減をすることができる。更に、本実施形態では、回路４４２、４４３の端子を切り替える構成で説明したが、本発明はこれに限らず、加えて、回路４４２、４４３の動作自体を停止する構成を取ることもできる。これにより、より低消費電力な複合センサを実現することができる。

尚、図２３では、メンブレンと対向電極を用いた第３の実施形態で記載した静電容量型センサの構成を用いて説明したが、本形態はこれに限らない。第２の実施形態で記載した構成をはじめ、それ以外の構成にも適用することができる。

１００ 複合センサ
１０１ 距離測定手段（近接覚センサ）
１０２ 圧力測定手段（触覚センサ）
１０３ 接触検出手段（接触センサ）

Claims (9)

1. 超音波を送信し、測定対象物から戻ってきた超音波を受信することで、前記測定対象物との距離を測定する距離測定手段と、
   前記測定対象物から印加される圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記測定対象物との接触の有無を検出する接触検出手段と、
   前記距離測定手段の計測と前記圧力測定手段の計測とを切り替える切り替え手段と、を有する複合センサであって、
   前記距離測定手段と、前記圧力測定手段と、前記接触検出手段とは別個に設けられており、
   前記切り替え手段は前記接触検出手段が前記測定対象物の接触を検出している状態から、接触を検出していない状態への変化を検出した場合は、前記距離測定手段による距離の計測を行い、前記接触検出手段が前記測定対象物の接触を検出していない状態から、接触を検出している状態への変化を検出した場合は、前記圧力測定手段による圧力の計測を行うように切り替えることを特徴とする複合センサ。
2. 前記距離測定手段、圧力測定手段、接触検出手段の少なくとも１つが、圧電膜を備えた振動膜を用いてなることを特徴する請求項１に記載の複合センサ。
3. 前記距離測定手段、圧力測定手段、接触検出手段の少なくとも１つが、電極を備えた振動膜と、前記電極に対向する電極を有していることを特徴とする請求項１、または２に記載の複合センサ。
4. 前記距離測定手段、圧力測定手段、接触検出手段の少なくとも１つが、静電容量型のセンサであることを特徴とする請求項３に記載の複合センサ。
5. 前記距離測定手段が動作し、前記圧力測定手段が動作しない距離測定モードと、前記圧力測定手段が動作し、前記距離測定手段が動作しない圧力検出モードと、前記距離測定手段、圧力測定手段、及び接触検出手段がいずれも動作する接触検出モードを切り替える手段を有していることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の複合センサ。
6. 更に剪断力検出手段を有していることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の複合センサ。
7. 第１の基板上に、弾性体を介して、第２の基板が配置されており、
   前記第２の基板の前記第１の基板と対向する面とは反対側の面に、前記距離測定手段を備えていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の複合センサ。
8. 前記第２の基板は、外力に対して可動するように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の複合センサ。
9. 前記接触検出手段、及び前記圧力測定手段の検出可能な圧力の範囲は一部重なり、かつ、前記接触検出手段の検出可能な圧力は、前記圧力測定手段の検出可能な圧力よりも小さい、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の複合センサ。

Images