JP7334588B2 - 触覚センサー、センシング装置および状態再現装置 - Google Patents
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Description
この様なインターフェース技術に使用される入力センサーとしては、光を用いたリモートセンシング技術であるLIDAR(Light Detection and Ranging)やカメラ、圧力センサー、変位センサーなどを挙げることができる。
一方、出力側であるアクチュエータとしては、液晶ディスプレーや照明、超音波、ピエゾ素子などを挙げる事ができる。
線状電極が延伸する方向に直交する平面における線状電極の断面において、
断面の形状が矩形であって、
線状電極が基材と接する部分の長さより、線状電極の高さの方が大きいことを特徴とする触覚センサーである。
複数個の前記単位構造は、互いに平行に配置されており、それぞれの前記単位構造の一対の線状電極を導電性材料により直列接続されており、且つ両端部に配置された単位構造の外側の線状電極の端部には、導電性材料により端子が形成されていることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の触覚センサーである。
複数個の前記単位構造は、互いに平行に配置されており、それぞれの前記単位構造の一対の線状電極の端部には、導電性材料により端子が形成されており、且つ隣接する前記単位構造の前記線状電極間は任意の位置で導電性材料により接続されていることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の触覚センサーである。
前記触覚センサーに任意の交流電圧または直流電圧を入力する手段と、
前記触覚センサーから出力される信号を出力データとして取得する手段と、を備えていることを特徴とするセンシング装置である。
装置であって、
前記センシング装置が取得した前記触覚センサーと任意の物体との接触状態に対応した前記出力データを記憶する手段または送信する手段のいずれかまたは両方と、
前記出力データに基づいて、前記触覚センサーと任意の物体との接触状態を再現する手段と、を備えていることを特徴とする状態再現装置である。
するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
本発明の触覚センサー1は、図1に例示した様に、基材401上に、導電性を備えた弾性体からなり、且つ平行に備えられた2本の線状電極402の間に、力が加わると電気抵抗が変化する感圧層201を挿入した単位構造404が、複数個、並列して備えられている触覚センサーである。図1では、複数個の単位構造404が平行に備えらえた場合を示しているが、必ずしも平行でなくても構わない。
201の高さが線状電極402の高さを超える様に形成する事は不可能ではないが、製造工程が増えるデメリットや、物体が接触する際に、感圧層201が先に接触する為、好ましくない。
また、単位構造404同士をつながなくても良い。この様にすることで、より微細なセンシング機能につながる。
触覚センサーの端子に、任意の電圧を付加することで、電気的に繋がった触覚センサー
の複数個の単位構造の抵抗に応じた電流が流れる。この状態での抵抗値を基準とし、例えば図3のように、人間の指先を触覚センサー1の表面に接した状態(図3(a))で横方向に移動させると、単位構造404の一方の線状電極402が横方向に押圧され、歪み601を生じる(図3(b))と、感圧層201の厚みが小さくなり、抵抗値の変動または静電容量の変化として反映される。高アスペクト比の線状電極402になればなるほど、線状電極402が傾斜し易くなり、この横方向への歪み量が大きくなる。すなわち、感圧層201が歪み易くなる。
図4(d)は、4つの単位構造404を備えた触覚センサー1´の右端の単位構造404-1に起伏のある物体701を接触させた状態である。既にわずかに接触している為、一番右側の単位構造404-1の下に、単位構造404-1から得られる信号の強弱を棒グラフの高さで示した様に、弱い信号が得られる。
次に、図4(c)は、図4(d)の状態から物体701が図の左側に進み、単位構造404-1を強く歪ませ、単位構造404-2を弱く歪ませた状態である。その為、その各単位構造の歪みの状態に対応した信号が、すなわち、単位構造404-1からは強い信号が、単位構造404-2からは弱い信号が、発せられる。
更に、図4(b)は、図4(c)の状態から物体702が図の左側に進み、単位構造404-2を強く歪ませ、単位構造404-3を弱く歪ませた状態である。それらに対応した信号が発せられる。
図4(d)は、同様に、図4(c)の状態から物体702が更に図の左側に進み、単位構造404-3を強く歪ませ、単位構造404-4を弱く歪ませた状態である。
この様に、物体701が触覚センサー1´の単位構造404-1、404-2、404-3、404-4から発せられる信号を捉える事により、物体701の触覚センサー1´への押圧の強度と、触覚センサー1´の中での動きを把握する事ができる。
本実施形態の電極は、フレキシブル性を有し、導電性を有していなければならない。例えば、カーボンを含む導電エラストマー、ポリウレタン系のストレッチャブルな銀ペーストなど可とう性を有した導電材料を使用し焼成して形成される。
感圧層も、可とう性を有する歪を与えると導電性が上がる材料でなければならない。例えば、ポリウレタン樹脂にカーボンなどを分散したものなどがあり、所定の数の線状電極を形成した後に、線状電極間へディスペンサー、インクジェットなどを使って充填し、焼成する。ポリフッ化ビニリデン、シリコーン等の誘電エラストマーでも良い。
単位構造404の間を接続する接続部902と端子1201(図9参照)を形成する導電性材料は、銀粉、銅粉、カーボン、グラファイトなどのフィラーを分散した導電性ペーストを使用し、端子1201、接続部902にディスペンサー、インクジェット、スクリーン印刷などを使用して形成する。
本発明の触覚センサーの構成要素である単位構造を形成する基材としては、PET、PEN、ポリイミド、ストレッチャブル素材、セラミックなどのフィルム、プレートなどを挙げる事ができる。
本発明の触覚センサーは、上記構成でも機能するが、触覚センサーの上面を指先や任意の物体で擦るなどの接触による破損を防止する為、絶縁物で構成されたオーバーコート層を触覚センサーの上面に形成しても支障はない。
本発明のセンシング装置は、本発明の触覚センサーを使用したセンシング装置である。
本発明のセンシング装置は、触覚センサーに任意の交流電圧または直流電圧を入力する手段と、触覚センサーから出力される信号を出力データとして取得する手段と、を備えている。
本発明の状態再現装置は、本発明のセンシング装置を使用した装置である。
本発明の状態再現装置は、本発明のセンシング装置が取得した触覚センサーと任意の物体との接触状態に対応した出力データを記憶する手段または送信する手段のいずれかまたは両方と、その出力データに基づいて、触覚センサーと任意の物体との接触状態を再現する手段と、を備えている装置である。接触状態を再現する手段がピエゾ素子であっても良い。
<実施例1>
2液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマー「ERASTOSILLR3162A(旭化成ワッカー社製)」及び「ERASTOSILLR3162B(旭化成ワッカー社製)」を1対1で混合した導電性塗布剤を用意した。
また、図5(b)に示すように、幅100μm、高さ600μm、間隙0.9cmの複数本のストライプ線802も同様にポリイミドフィルム上に印刷した。この2種類の印刷物を100℃30分間焼成した。
記2種類の印刷物に形成された複数のストライプ線1101(図6参照)の間の間隙に1つ飛ばしでストライプ線1101の端から1cmの長さで注入し、120℃30分間焼成する事で、1cmの長さの感圧部903を形成した。
この状態でセンサーとして使用できるが、擦り実験中に電極および感圧層901が損傷することを防ぐ為、センサー上部にポリウレタンからなる絶縁層(図示省略)を保護層として形成した。以上の様にして、触覚センサーを作製した。
まず、幅100μm、高さ100μmの複数本のストライプ線を使った印刷物1004の入力信号が最大電圧20V、周波数3kHzの正弦波であることを確認し、出力側の信号が最大電圧50mV、周波数3kHzであることを確認した。
従って、2種類の印刷物1004で唯一違う電極(ストライプ線1101)の高さが6倍程度の違いで出力側の信号の大きさが6倍程度変化する事が判った。これは、電極の高
さが高いほど出力信号の感度が上がり、センサーとしての感度が上がることを意味する。
2液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマー「ERASTOSILLR3162A(旭化成ワッカー社製)」及び「ERASTOSILLR3162B(旭化成ワッカー社製)」を1対1で混合した導電性塗布剤を用意した。
この状態で触覚センサーとして使用できるが、擦り実験中に電極(ストライプ線1101)および感圧層901が損傷することを防ぐ為、絶縁層を、触覚センサーである単位構造404の上に保護層として被覆した。
まず、幅100μm、高さ200μmの複数本のストライプ線を使った印刷物の入力信号が最高電圧20V、周波数3kHzの正弦波であることを確認し、出力側の信号が最高電圧20V、周波数20mVであることを確認した。次に、先端が半径4mmの球状に加工された絶縁体からなる棒を使って、幅100μm、高さ200μmの複数本のストライプ線に直交する様に0.1Nの力で表面を滑らせた。その際にオシロスコープの出力側の信号を確認した結果、最高電圧120mV、周波数3kHzであった。スピーカーの音の変動も確認できた。従って、電極(ストライプ線)の高さが高く、電極(ストライプ線)間の距離が狭いと、出力側の信号の大きさが増大する事が判った。
この結果は、実施例1の場合と比べ、電極(ストライプ線)高さが2倍、電極(ストライプ線)間の距離が3分の1となっており、2÷(1/3)=6(倍)となっていた。
つまり、本発明の触覚センサーの特徴である垂直方向に立ち上がる断面形状が矩形状の電極(ストライプ線)の高さを高くする事、即ちアスペクト比を高くする事が、触覚セン
サーの感度向上に直結し、かつ、電極(ストライプ線)間を狭くすることによって、さらに感度の向上が図れることが分かった。
2液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマー「ERASTOSILLR3162A(旭化成ワッカー社製)」及び「ERASTOSILLR3162B(旭化成ワッカー社製)」を1対1で混合した導電性塗布剤を用意した。
この状態でセンサーとして使用できるが、擦り実験中に電極および感圧層が損傷することを防ぐ為、ポリウレタンからなる絶縁層を単位構造404の上に保護層として被覆した。
2液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマー「ERASTOSILLR3162A(旭化成ワッカー社製)」及び「ERASTOSILLR3162B(旭化成ワッカー社製)」を1対1で混合した導電性塗布剤を用意した。
まず、幅100μm、高さ200μmの複数本のストライプ線を使った触覚センサーの入力信号が、最高電圧20V、周波数3kHzの正弦波であることを確認し、出力側の信号が最高電圧20V、周波数20mVであることを確認した。次に、先端が半径4mmの球状に加工された絶縁体からなる棒を使って、幅100μm、高さ200μmの複数本のストライプ線に直交する様に0.1Nの力で表面を滑らせた。その際にオシロスコープの
出力側の信号を確認した結果、最高電圧20V、周波数120mVであった。スピーカーの音の変動も確認できた。
(a)導電エラストマーによる高アスペクト比の、断面形状が矩形の電極を狭いピッチで形成し、それらの電極間に感圧層を充填した構造物を造る事によって、人の指紋の様なセンサーが形成できる為、上からの圧力かつ横への物体の移動時の歪を感度良くとらえる事ができる。
(b)電極と感圧層と電極を一対とした単位構造を構成要素とする触覚センサーとして、並列に並べる事により、個々の単位構造への信号の入力が可能となり、センシングする対象物の細かな起伏による歪、移動距離を個々の単位構造のセンサー毎に電圧および周波数、位相変化、抵抗値として測定する事ができる。
(c)ファンクションジェネレーターによる交流の入力信号を本発明の触覚センサーに入力し、出力された信号をリアルタイムにサンプリング可能な機能付きのオシロスコープで記録した波形をPCに取り込む事で、出力側である遠隔地に同様のPC、ファンクションジェネレーターがあれば、出力側のアクチュエータに合った信号に変調するなどを行い、適宜、ピエゾ素子などに出力する事ができる。
すなわち、ヒトとロボット、空間をつなぐインターフェースの開発に応用する手段として有効となる発明である。
本発明のセンサー構造は、電極と感圧層と電極のサンドイッチ構造が、縦になっている為、並列に細かくセンサーが並ぶことで、細かい波形のテクスチャを細かく細分化したセンサーとなっている。例えば、表面粗さ計で言えば、これまで一本の針の付いたプローブを測定する物体の表面をなぞる事で表面の凹凸や粗さを計測していたが、本発明のセンサーは、このプローブが狭いピッチで並列に並んでいる為、物体の表面をなぞらなくても押し当てるだけで凹凸や粗さを計測できる可能性がある。人の指紋は約0.35mmピッチと言われている。本発明のセンサーは、このピッチを実現できるため、ロボティクスなどの分野でも利用の可能性がある。
101…印刷物
201…感圧層
202…電極
203…電極
401…基材
402…線状電極(またはストライプ線)
403…複数本の電極
404、404-1、404-2、404-3、404-4…(電極と感圧層と電極を一対とした)単位構造
501…接続部
601…歪み
701…(起伏のある)物体
702…信号
801…ストライプ線
802…ストライプ線
901…感圧層
902…(銀ペーストからなる)接続部
903…1cmの長さの感圧部
1001…ファンクションジェネレーター
1002…圧電スピーカー
1003…オシロスコープ
1004…印刷物
1005…(先端が球状に加工された)棒
1101…ストライプ線
1201…端子
1301…端子
1302…1つ目のチャンネル
1303…2つ目のチャンネル
Claims (8)
- 基材上に、導電性を備えた弾性体からなり、且つ平行に備えられた2本の線状電極の間に、力が加わると電気抵抗が変化する感圧層を挿入した単位構造が、複数個、並列して備えられている触覚センサーにおいて、
線状電極が延伸する方向に直交する平面における線状電極の断面において、
断面の形状が矩形であって、
線状電極が基材と接する部分の長さより、線状電極の高さの方が大きいことを特徴とする触覚センサー。 - 前記弾性体がエラストマーであることを特徴とする請求項1に記載の触覚センサー。
- 前記感圧層の高さが、前記線状電極の高さ以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の触覚センサー。
- 前記基材上に複数個の前記単位構造が形成された触覚センサーにおいて、
複数個の前記単位構造は、互いに平行に配置されており、それぞれの前記単位構造の一対の線状電極を導電性材料により直列接続されており、且つ両端部に配置された単位構造の外側の線状電極の端部には、導電性材料により端子が形成されていることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の触覚センサー。 - 前記基材上に複数個の前記単位構造が形成された触覚センサーにおいて、
複数個の前記単位構造は、互いに平行に配置されており、それぞれの前記単位構造の一対の線状電極の端部には、導電性材料により端子が形成されており、且つ隣接する前記単位構造の前記線状電極間は任意の位置で導電性材料により接続されていることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の触覚センサー。 - 請求項1~5のいずれかに記載の触覚センサーを使用したセンシング装置であって、
前記触覚センサーに任意の交流電圧または直流電圧を入力する手段と、
前記触覚センサーから出力される信号を出力データとして取得する手段と、を備えていることを特徴とするセンシング装置。 - 請求項6に記載のセンシング装置を使用した状態再現装置であって、
前記センシング装置が取得した前記触覚センサーと任意の物体との接触状態に対応した前記出力データを記憶する手段または送信する手段のいずれかまたは両方と、
前記出力データに基づいて、前記触覚センサーと任意の物体との接触状態を再現する手段と、を備えていることを特徴とする状態再現装置。 - 前記接触状態を再現する手段が、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項7に記載の状態再現装置。
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