JP7081814B2 - 触覚センサ - Google Patents
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Description
第2発明の触覚センサは、第1発明において、前記毛は前記毛固定部に一体形成されていることを特徴とする。
第3発明の触覚センサは、第1発明において、前記毛固定部には凹形の差込部が形成されており、前記毛の基端部は前記差込部に差し込まれていることを特徴とする。
第4発明の触覚センサは、第3発明において、前記差込部の内壁には、対向して配置された二列の櫛歯が形成されていることを特徴とする。
第5発明の触覚センサは、第4発明において、前記櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ基端から先端に向かって前記毛の差し込み方向に傾斜していることを特徴とする。
第6発明の触覚センサは、第1発明において、前記毛は前記毛固定部に接着剤で固定されていることを特徴とする。
第2発明によれば、毛と毛固定部とが一体形成されているので、部品点数が少なく、触覚センサの製造工程を簡素化できる。
第3発明によれば、毛と触覚センサのその他の部分とが別部材であるので、触覚センサに搭載される毛として種々の素材、形状のものを採用できる。
第4発明によれば、二列の櫛歯により毛の基端部を挟むことで、毛固定部に対して毛をしっかりと固定できる。
第5発明によれば、櫛歯の歯が差し込み方向に傾斜しているので、毛を差込部に差し込みやすく、抜けにくい。
第6発明によれば、毛と触覚センサのその他の部分とが別部材であるので、触覚センサに搭載される毛として種々の素材、形状のものを採用できる。
(触覚センサ)
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る触覚センサ1はSOI基板などの半導体基板を半導体マイクロマシニング技術により加工して形成したものである。
つぎに、SOI基板を用いた触覚センサ1の製造方法を説明する。
ここで、SOI基板は、支持基板(シリコン)、酸化膜層(二酸化ケイ素)、活性層(シリコン)の3層構造を有しており、その厚さは例えば300μmである。
つぎに、触覚センサ1による検出方法を説明する。
触覚センサ1により検出を行う際には、毛10を測定対象物に接触させるなどして外力を与える。毛10にモーメントが生じると、毛固定部支持体50に歪が生じる。その歪を旋回検出器70で検出してモーメントを求める。また、毛10に剪断力、軸力が作用すると、変位部支持体60に歪が生じる。その歪を変位検出器80で検出して剪断力、軸力を求める。毛10に作用するモーメント、剪断力、軸力から、液体の表面張力、静電気などを測定できる。以下、順に詳細を説明する。
図5に液体の表面張力の測定原理を示す。触覚センサ1の毛10が液体の表面から離脱するとき、毛10には液体の表面張力による分布荷重が作用する。ここで、毛10に作用する表面張力は等分布荷重wであると仮定する。長さLの片持ち梁の先端部(長さxの部分)に等分布荷重wが作用したとすると、毛10に作用する剪断力FsおよびモーメントMは、以下の式(1)、(2)で表される。
毛10に作用する静電引力は、触覚センサ1で検出される剪断力または軸力から直接的に求めることができる。そのほか、以下に説明するように、毛10の共振周波数を利用することで、より高い感度で静電引力を測定できる。
液体の表面張力を測定する場合、触覚センサ1は毛10に作用する軸力を検出する必要がない。そのため、このような目的で用いられる触覚センサ1は、変位部30が少なくともx方向に変位可能であればよい。変位部30はy方向に変位不可能であってもよい。変位部30のy方向の変位を検出する第2変位検出器82はなくてもよい。
半導体基板を加工して、図1に示す触覚センサ1を製作した。半導体基板として、支持基板300μm、酸化膜層0.5μm、活性層50μmのp型SOI基板を用いた。センサ本体部は横6.3mm、縦4.8mmである。
製作した触覚センサ1の特性評価を行った。その結果を図8に示す。図8のグラフは横軸が時間、縦軸がモーメント、軸力、剪断力の出力信号である。触覚センサ1により毛10に作用するモーメント、軸力、剪断力をそれぞれ検出できることが確認された。また、他軸感度は2.3%と十分に低いことが確認された。
前記の特性評価のみでは、モーメントと剪断力とを独立して検出できているとは断定できない。そこで、モーメントおよび剪断力の独立検出評価を行った。まず、特定の剪断力Fsを毛10の一点に加えた。このとき、毛10のモーメント中心から力点までの距離をL1とした。このときのモーメントM1および剪断力Fsの出力信号を図9(A)に示す。
つぎに、触覚センサ1を用いて表面張力の測定を行った。
表面表力の測定対象液として水および種々の濃度(10~100質量%の範囲で10質量%刻み)のエタノール水溶液を用いた。マイクロシリンジの先端に測定対象液の液滴を形成した。このとき、液滴が常に同じ大きさとなるように調整した。触覚センサ1の毛10をその先端が液滴の中心に達するまで挿入した。つぎに、マイクロシリンジをx方向に一定速度で移動させた。毛10の先端部が液滴の表面に達した後、毛10は液滴の表面張力によりたわむ。液滴がさらに移動すると、毛10が液滴の表面から離脱する。
つぎに、触覚センサ1を用いて静電気の測定を行った。
触覚センサ1を加振装置に載せてx方向に振動させた。加振装置としてピエゾアクチュエータにより加振するものを用いた。加振装置により触覚センサ1を所望の周波数で振動させることができる。また、触覚センサ1からの出力信号をスペクトルアナライザにより周波数解析した。
10 毛
20 毛固定部
30 変位部
40 基部
50 毛固定部支持体
60 変位部支持体
70 旋回検出器
80 変位検出器
81 第1変位検出器
82 第2変位検出器
Claims (6)
- 基部と、
変位部と、
前記変位部を前記基部に対して第1方向および前記第1方向に対して垂直な第2方向に変位可能に支持する変位部支持体と、
前記第2方向に沿って配置された直線状の毛と、
前記毛の基端が固定された毛固定部と、
前記毛固定部を前記変位部に対して前記第1方向および前記第2方向を含む面内で旋回可能に支持する毛固定部支持体と、
前記変位部の前記基部に対する変位を検出する変位検出器と、
前記毛固定部の前記変位部に対する旋回を検出する旋回検出器と、を備え、
前記変位検出器は、
前記変位部の前記第1方向の変位を検出する第1変位検出器と、
前記変位部の前記第2方向の変位を検出する第2変位検出器と、を備える
ことを特徴とする触覚センサ。 - 前記毛は前記毛固定部に一体形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 - 前記毛固定部には凹形の差込部が形成されており、
前記毛の基端部は前記差込部に差し込まれている
ことを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 - 前記差込部の内壁には、対向して配置された二列の櫛歯が形成されている
ことを特徴とする請求項3記載の触覚センサ。 - 前記櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ基端から先端に向かって前記毛の差し込み方向に傾斜している
ことを特徴とする請求項4記載の触覚センサ。 - 前記毛は前記毛固定部に接着剤で固定されている
ことを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。
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