JP7287664B2 - 触覚センサおよび触覚測定方法 - 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、前記複数の支持体は、前記複数の接触子のそれぞれを前記x軸方向にも変位可能に支持することを特徴とする。
第3発明の触覚センサは、第1または第2発明において、前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されていることを特徴とする。
第4発明の触覚センサは、基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、前記開口部において、前記基準面と平行なx軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なy軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、前記複数の接触子は、前記x軸に沿って中心から対称な位置に配置された2つの接触子を一対として、複数対の接触子からなり、前記複数対の接触子は、前記基準面からの突出量が、対ごとに異なる量に設定されていることを特徴とする。
第5発明の触覚測定方法は、第3発明の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を前記x軸に対して斜め方向に掃引し、前記複数の接触子それぞれの前記y軸方向の変位から前記測定対象物の2次元平面の表面形状を求めることを特徴とする。
第6発明の触覚測定方法は、基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、前記開口部において、前記基準面と平行なx軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なy軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されている、触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記x軸を測定対象物の表面に対して傾斜させた状態で、前記触覚センサの前記基準面を該測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、前記複数の接触子それぞれの前記y軸方向の変位から前記測定対象物の柔軟性を求めることを特徴とする。
第7発明の触覚測定方法は、第4発明の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、対をなす前記2つの接触子それぞれの前記y軸方向の変位を平均して、該対のy軸方向平均変位を求め、前記対それぞれの前記y軸方向平均変位から前記測定対象物の柔軟性を求めることを特徴とする。
第2発明によれば、接触子のx軸方向およびy軸方向の変位から測定対象物表面の微細な凹凸および微小領域の摩擦力を検知できる。
第3発明によれば、複数の接触子の突出量が同じであるので、複数の接触子を同じ条件で測定対象物に接触させることができる。
第4発明によれば、突出量が異なる複数対の接触子を有するので、種々の条件での検出を同時に行なえる。
第5発明によれば、触覚センサをx軸に対して斜め方向に掃引することで、一回の掃引で所定幅の領域を測定でき、測定対象物の2次元平面の表面形状を測定できる。
第6発明によれば、触覚センサのx軸を測定対象物の表面に対して傾斜させた状態で押し当てることで、複数の接触子それぞれの押し当て力を段階的に変化させることができる。そのため、一回の掃引で複数の押し当て力における接触子の変位を検出でき、これにより接触子先端幅程度の高い空間解像度で測定対象物の柔軟性を求めることができる。
第7発明によれば、対をなす2つの接触子のy軸方向の変位の平均を求めることで、x軸の測定対象物に対する傾斜の影響を除去できる。そのため、接触子先端幅程度の高い空間解像度で測定対象物の柔軟性を精度良く求めることができる。
〔第1実施形態〕
(触覚センサ)
図1に示すように、本発明の第1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。半導体基板を所定のパターンでエッチングして不要部分を除去することで触覚センサ1の構成部材が形成されている。したがって、触覚センサ1は全体として平板状である。触覚センサ1の全体的な寸法は特に限定されないが、例えば1~20mm四方である。
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、その厚みは例えば300μmである。
つぎに、触覚センサ1を用いた触覚測定方法を説明する。
触覚センサ1を用いて測定を行なう際には、触覚センサ1のセンシング面を測定対象物に押し当てながら掃引する。そうすると、接触子20A~20Fがx軸方向およびy軸方向に変位する。その変位に基づき測定対象物の表面形状、摩擦力、柔軟性などを測定できる。以下、その原理を説明する。
まず、図6に基づき、単一の接触子20の動きを説明する。
触覚センサのセンシング面を測定対象物Oの表面に押し当てて、基準面14を測定対象物Oに接触させる。そうすると、基準面14は測定対象物Oの表面の凹凸のピークを結んだ平面に配置される。そして、接触子20は触覚センサの押し当て力の反力により押し込まれ、y軸方向に変位する。
(1)のグラフは横軸が時間、縦軸が縦変位検出器41により検出された接触子20のy軸方向の変位である。触覚センサを測定対象物Oの表面に沿って一定の速度で掃引した場合には、横軸は測定対象物Oの表面の位置座標と同義である。接触子20のy軸方向の変位は測定対象物Oの表面の凹凸量を意味する。したがって、(2)のグラフは測定対象物Oの表面の表面形状(空間波形)を再現したものである。
つぎに、図8に基づき、触覚センサ1を用いた2次元平面の測定方法を説明する。
まず、触覚センサ1の基準面14を測定対象物Oの表面に押し当てる。ここで、触覚センサ1のx軸を測定対象物Oの表面と平行にする。この状態で、触覚センサ1を測定対象物Oの表面に沿って掃引する。ここで、掃引方向sを触覚センサ1のx軸に対して斜めにする。
つぎに、図9に基づき、触覚センサ1を用いた柔軟性の測定方法を説明する。
まず、触覚センサ1の基準面14を測定対象物Oの表面に押し当てる。この際、触覚センサ1のx軸を測定対象物Oの表面(触覚センサ1の押し当てにより変形する前の表面)に対して傾斜させる。この状態で、触覚センサ1を測定対象物Oの表面に沿って掃引する。なお、同一地点の柔軟性を測定する場合は掃引時のヨー角φを0°とする。
(触覚センサ)
つぎに、本発明の第2実施形態に係る触覚センサ2を説明する。
図10に示すように、本実施形態の触覚センサ2は、第1実施形態の触覚センサ1と同様に、複数の接触子20A~20Fを有する。触覚センサ2は、具体的には、6つの接触子20A~20Fを有する。触覚センサ2は接触子20A~20Fの突出量に特徴を有する。それ以外の構成は第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
つぎに、触覚センサ2を用いた触覚測定方法を説明する。
触覚センサ2を用いて以下の操作を行なえば、測定対象物Oの柔軟性を測定できる。
接触子20A~20Fの接触端21は半円形に限られず、他の形状に形成されてもよい。例えば、先鋭的な針状、波面状、左右非対称の形状にしてもよい。また、測定対象物Oの引っ掛かり感を重要なパラメータとして測定する場合には、接触端21を鉤状に形成し、測定対象物Oに引っ掛かりやすくしてもよい。
半導体基板を加工して触覚センサ1を製作した。この触覚センサ1は第1実施形態の触覚センサ1と同様の構造であるが、図1に示すものと比較して各部の寸法は異なる。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。触覚センサ1は6つの接触子20A~20Fを有する。各接触子20A~20Fの接触端21は直径440μmの半円形である。接触子20A~20Fはx軸に沿って500μm間隔で並べられている。全ての接触子20A~20Fの突出量Pは50μmである。
作製した触覚センサ1の感度を測定した。測定にはMicromechanical Testing And Assembly System(FemtoTools FT-MTA03)を用いた。測定装置のプローブを各接触子20A~20Fに対してy軸方向に押し当て、y軸方向の変位の分解能を測定した。また、測定装置のプローブを各接触子20A~20Fに対してx軸方向に押し当て、摩擦力の分解能を測定した。その結果、y軸方向の変位の分解能は0.2μm、摩擦力の分解能は10μNであった。他軸感度は3%以下と十分に低いことが確認された。また、支持体30A~30Fのばね定数はほぼ等しく、それらの偏差は7%以下であった。
つぎに、ヨー角φを10°とし、触覚センサ1で試料表面を掃引した。ここで掃引方向を布の織り目方向に対して垂直方向とした。また、ピッチ角θは0°とした。図13(A)に表面形状のグラフを示す。図13(B)に摩擦力のグラフを示す。ヨー角φを設けることで、2次元平面の表面形状および摩擦力を測定できることが確認された。
つぎに、ピッチ角θを2°とし、触覚センサ1で試料表面を掃引した。なお、ヨー角φは0°とした。その結果を図14に示す。ヨー角φを設けることで、6つの接触子20A~20Fの押し当て力を段階的に変化させることができる。図14のグラフから分かるように、6つの表面形状の波形には相違が見られる。また、6つの摩擦力の波形にも相違が見られる。この相違、すなわち、接触子20A~20Fの変位の差は、試料の柔軟性に依存する。そのため、波形の相違の大きさは試料の柔軟性の度合いを示している。
つぎに、半導体基板を加工して触覚センサ2を製作した。この触覚センサ2は第2実施形態の触覚センサ2と同様の構造であるが、図10に示すものと比較して各部の寸法は異なる。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。触覚センサ1は6つの接触子20A~20Fを有する。各接触子20A~20Fの接触端21は直径440μmの半円形である。接触子20A~20Fはx軸に沿って500μm間隔で並べられている。第1対をなす第1、第6接触子20A、20Fの第1突出量P1は50μmである。第2対をなす第2、第5接触子20B、20Eの第2突出量P2は100μmである。第3対をなす第3、第4接触子20C、20Dの第3突出量P3は150μmである。
作製した触覚センサ2を用いて試料の柔軟性を測定した。試料として弾性の異なる5種類のPDMS(Polydimethylsiloxane)で形成された2mm厚の板を用いた。デュロメータを用いて5つの試料のヤング率を測定したところ、表1に示すとおりであった。
10 フレーム
12 縁部
13 開口部
14 基準面
20A~20F 接触子
30A~30F 支持体
40A~40F 変位検出器
Claims (7)
- 表裏の主面および側面を有する平板状の触覚センサであって、
前記側面の一部であり測定対象物と接触する基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、
前記開口部において、前記基準面および前記表裏の主面と平行なx軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、
前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なy軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、
前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備える
ことを特徴とする触覚センサ。 - 前記複数の支持体は、前記複数の接触子のそれぞれを前記x軸方向にも変位可能に支持する
ことを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 - 前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されている
ことを特徴とする請求項1または2記載の触覚センサ。 - 基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、
前記開口部において、前記基準面と平行なx軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、
前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なy軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、
前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、
前記複数の接触子は、前記x軸に沿って中心から対称な位置に配置された2つの接触子を一対として、複数対の接触子からなり、
前記複数対の接触子は、前記基準面からの突出量が、対ごとに異なる量に設定されている
ことを特徴とする触覚センサ。 - 請求項3記載の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、
前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を前記x軸に対して斜め方向に掃引し、
前記複数の接触子それぞれの前記y軸方向の変位から前記測定対象物の2次元平面の表面形状を求める
ことを特徴とする触覚測定方法。 - 基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、
前記開口部において、前記基準面と平行なx軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、
前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なy軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、
前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、
前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されている、触覚センサを用いた触覚測定方法であって、
前記x軸を測定対象物の表面に対して傾斜させた状態で、前記触覚センサの前記基準面を該測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、
前記複数の接触子それぞれの前記y軸方向の変位から前記測定対象物の柔軟性を求める
ことを特徴とする触覚測定方法。 - 請求項4記載の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、
前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、
対をなす前記2つの接触子それぞれの前記y軸方向の変位を平均して、該対のy軸方向平均変位を求め、
前記対それぞれの前記y軸方向平均変位から前記測定対象物の柔軟性を求める
ことを特徴とする触覚測定方法。
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