JP7420011B2

JP7420011B2 - 触覚センサ

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Publication number: JP7420011B2
Application number: JP2020140395A
Authority: JP
Inventors: 実里鍋藤; 博史北島; 寛規古賀; 小也香土肥
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: US20230324242A1; JP2022035827A; EP4202390A1; TWI801952B; CN116157663A; WO2022038937A1; TW202208816A

Description

本願の開示する技術は、触覚センサに関する。

対象物と接触する接触面の圧力分布及びせん断力を検出可能な触覚センサとしては、例えば、以下の技術が知られている。

すなわち、特許文献１に記載の触覚センサは、支持基板と、第１絶縁体と、第２絶縁体と、複数の電極と、複数の第１帯状電極と、複数の第２帯状電極とを備える。支持基板と、第２絶縁体と、第１絶縁体とは、触覚センサに圧力が入力される側と反対側から順番に並んで積層されている。

複数の電極は、第２絶縁体と支持基板との間に全面的に敷き詰められるように設けられている。複数の第１帯状電極は、第１絶縁体の第２絶縁体と反対側において第１方向に延びて設けられている。複数の第１帯状電極は、複数の電極のうち第１方向と交差する方向に隣接する電極同士の間に延びることで、該隣接する電極のそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている。

複数の第２帯状電極は、第１絶縁体と第２絶縁体との間において第１方向に交差する第２方向に延びて設けられている。複数の第２帯状電極は、複数の電極のうち第２方向と交差する方向に隣接する電極同士の間に延びることで、該隣接する電極のそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている。

触覚センサは、静電容量測定回路と接続されている。静電容量測定回路は、電極と当該電極に平面視で重なっている第１帯状電極との間で発生する静電容量を検出可能である。また、静電容量測定回路は、電極と当該電極に平面視で重なっている第２帯状電極との間で発生する静電容量を検出可能である。

特許文献２に記載の触覚センサは、第１基板と、第２基板と、誘電体とを備える。第１基板は、複数の第１電極を備える。第２基板は、複数の第１電極それぞれに対応する複数の第２電極を備える。誘電体は、第１基板と第２基板との間に提供されている。

複数の第１電極のいずれか１つの第１電極に対応する第２電極は、いずれか１つの第１電極に対して第２基板内で一方向にずれて配置されている。いずれか１つの第１電極に隣接する他の第１電極に対応する他の第２電極は、他の第１電極に対して第２基板内で他方向にずれて配置されている。

複数の第１電極は、複数の第２電極に１対１にマッチングされている。複数の第１電極は互いに離隔配置されており、複数の第２電極は互いに離隔配置されている。

特許第６２８０５７９号公報特開第６４８８４１４号公報

特許文献１に記載の触覚センサでは、複数の電極と対向する対向電極が、複数の第１帯状電極と複数の第２帯状電極の２層構造となっている。このため、触覚センサの構造が複雑になり、触覚センサの製造工程も複雑になる。

特許文献２に記載の触覚センサでは、複数の第１電極が、複数の第２電極と１対１にマッチングされている。また、せん断力を検出するために、複数の第１電極が互いに離隔配置されると共に、複数の第２電極も互いに離隔配置されている。したがって、複数の第１電極の互いの間隔が広くなると共に、複数の第２電極の互いの間隔が広くなるため、複数の第１電極及び複数の第２電極の数を増やすことができず、圧力分布の分解能が低下する。

よって、簡素な構造及び製造工程でもせん断力を検出できると共に、圧力分布の分解能を確保できるようにするためには、改良の余地がある。

本願の開示する技術は、一つの側面として、簡素な構造及び製造工程でもせん断力を検出できると共に、圧力分布の分解能を確保できる触覚センサを得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本願の開示する技術の一観点によれば、対象物との接触面を有すると共に、弾力層と、前記弾力層を挟んだ両側に位置する第一電極層及び第二電極層とが前記接触面の法線方向に積層された積層構造を有する静電容量方式のセンサ部を備え、前記第一電極層は、複数の第一電極を有し、前記第二電極層は、単層である１又は複数の第二電極によって構成され、前記複数の第一電極のうちの２以上は、前記法線方向に見て前記第二電極と部分的に重なる複数の部分重複電極であり、１の前記第二電極に形成された１又は複数の開口の数、若しくは、１又は複数の前記第二電極によって形成される１又は複数の島部の数は、前記複数の第一電極の数よりも少ない、触覚センサが提供される。

本願の開示する技術の一観点に係る触覚センサによれば、簡素な構造及び製造工程でもせん断力を検出できると共に、圧力分布の分解能を確保できる。

ロボットシステムの一例を示す斜視図である。図１の一対の触覚センサの一例を示す斜視図である。第一実施形態に係る触覚センサの縦断面図である。図３の基板の平面図である。図３の第二電極層の平面図である。図３の第二電極と弾力層と基板とを重ねた状態を示す平面図である。図３の基板の底面図である。図３の触覚センサの製造方法の一例を説明する図である。図３の触覚センサにおける変位Δｘと変位Δｙの一例を説明する平面図である。図３の触覚センサにおける変位Δｘと変位Δｚの一例を説明する図である。図３の触覚センサにおける変位Δｙと変位Δｚの一例を説明する図である。第二実施形態に係る触覚センサの縦断面図である。図１２の第二電極層の平面図である。図１２の第二電極と弾力層と基板とを重ねた状態を示す平面図である。第三実施形態に係る触覚センサの縦断面図である。図１５の第二電極層の平面図である。図１５の第二電極と弾力層と基板とを重ねた状態を示す平面図である。第四実施形態に係る触覚センサの縦断面図である。図１８の第二電極層の平面図である。図１８の第二電極と弾力層と基板とを重ねた状態を示す平面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本願の開示する技術の一実施形態について詳細に説明する。

（ロボットシステム１００の一例）
はじめに、ロボットシステム１００の一例の概略を説明する。

図１は、ロボットシステム１００の一例を示す斜視図である。ロボットシステム１００は、ロボット１０２と、コントローラ１０４とを備える。ロボット１０２は、例えば、多関節ロボットであり、ロボットアーム１０６と、ロボットハンド１０８とを備える。ロボットアーム１０６は、複数の関節部１１０を備える。ロボットハンド１０８は、ロボットアーム１０６の先端部に設けられている。ロボットハンド１０８は、手首関節部１１２を介してロボットアーム１０６の先端部に接続されている。

ロボットハンド１０８には、一対の把持部１１４が設けられている。一対の把持部１１４は、互いに対向して配置されている。この一対の把持部１１４は、図示しない駆動部の駆動によって、互いに対向する方向に接離する。一対の把持部１１４の間にワークＷが配置された状態で、一対の把持部１１４が互いに接近する方向に移動すると、一対の把持部１１４でワークＷが把持される。

コントローラ１０４は、ロボット１０２を制御するものであり、ロボット１０２と電気的に接続されている。図１では、一例として、コントローラ１０４が有線によりロボット１０２と接続されているが、コントローラ１０４が無線によりロボット１０２と接続されてもよい。

（触覚センシングシステム１の一例）
続いて、触覚センシングシステム１の一例の概略を説明する。

ロボットシステム１００には、触覚センシングシステム１が搭載されている。触覚センシングシステム１は、一対の触覚センサ１０と、出力部１２とを備える。一対の触覚センサ１０は、一対の把持部１１４における互いの対向面１１４Ａにそれぞれ設けられている。一対の触覚センサ１０は、一対の把持部１１４でワークＷが把持された状態においてワークＷと接触する位置、すなわち、一例として、一対の把持部１１４の先端部の互いに対向する部分に設けられている。

出力部１２は、一対の触覚センサ１０と電気的に接続されている。出力部１２は、有線により一対の触覚センサ１０と接続されてもよく、無線により一対の触覚センサ１０と接続されてもよい。この出力部１２は、後に詳述する通り、一対の触覚センサ１０から出力されたデータに基づいて各種処理を行い、この処理の結果に基づくデータをコントローラ１０４に出力する機能を有する。出力部１２は、一例として、手首関節部１１２に設けられている。

図２は、図１の一対の触覚センサ１０の一例を示す斜視図である。一対の触覚センサ１０は、一例として、互いに対向する方向に面対称である。Ｘ軸方向は、一対の触覚センサ１０が対向する方向と直交する第一方向に相当し、Ｙ軸方向は、一対の触覚センサ１０が対向する方向と直交する第二方向に相当し、Ｚ軸方向は、一対の触覚センサ１０が対向する方向に相当する。Ｘ軸方向は、Ｙ軸方向と直交している。一例として、Ｘ軸方向は、触覚センサ１０の縦方向に相当し、Ｙ軸方向は、触覚センサ１０の横方向に相当する。

触覚センサ１０は、支持プレート１４と、基板１６と、センサ部１８とを備える。支持プレート１４は、上述の把持部１１４（図１参照）と別体に構成されており、把持部１１４に固定される。支持プレート１４は、把持部１１４と一体に構成されていてもよい。基板１６は、支持プレート１４に固定されており、センサ部１８は、基板１６上に設けられている。センサ部１８の詳細については、後に詳述する。

続いて、触覚センシングシステム１の第一乃至第四実施形態を説明する。

［第一実施形態］
はじめに、第一実施形態を説明する。

（触覚センサ１０の構成）
図３は、第一実施形態に係る触覚センサ１０の縦断面図である。第一実施形態に係る触覚センサ１０は、センサ部１８と、基板１６とを備える。

センサ部１８は、静電容量方式である。このセンサ部１８は、より具体的には、自己容量方式であり、複数の層が積層された積層構造を有する。すなわち、センサ部１８は、複数の層として、絶縁層２０と、弾力層２２と、第一電極層２４と、第二電極層２６とを有する。第一電極層２４及び第二電極層２６は、弾力層２２を挟んだ両側に位置する。

絶縁層２０は、第二電極層２６に対する弾力層２２と反対側に位置する。絶縁層２０は、センサ部１８の表層部を形成している。この絶縁層２０の表面は、ワークＷ（図１参照）との接触面２８として形成されている。なお、絶縁層２０は省略されてもよい。絶縁層２０が省略された場合には、第二電極層２６や第二電極層２６の上に形成された表層の表面が接触面２８とされる。

弾力層２２は、誘電体である。弾力層２２は、柔軟性及び弾力性を有している。この弾力層２２は、例えば、ゲルによって形成される。絶縁層２０、弾力層２２、第一電極層２４及び第二電極層２６は、Ｚ軸方向に積層されている。Ｚ軸方向は、接触面２８の法線方向に相当する。絶縁層２０、弾力層２２、第一電極層２４及び第二電極層２６は、例えば、接着剤等により互いに接着されている。絶縁層２０は、センサ部１８の全体の接着強度を高めるために、第二電極層２６の全面を覆う大きさを有することが好ましい。

第一電極層２４は、複数の第一電極３４を有する。複数の第一電極３４は、基板１６のセンサ部１８側の第一面１６Ａに形成されている。基板１６のセンサ部１８と反対側の第二面１６Ｂには、複数の静電容量検出ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）４４が実装されている。複数の第一電極３４と複数の静電容量検出ＩＣ４４とは、基板１６の板厚方向に延びるスルーホールビア４６によって接続されている。

図４は、図３の基板１６の平面図である。基板１６の第一面１６Ａに形成された複数の第一電極３４は、Ｘ－Ｙ平面に沿って行列状に配列されている。つまり、複数の第一電極３４は、Ｘ軸方向を縦方向とし、Ｙ軸方向を横方向として配列されている。Ｘ－Ｙ平面は、上述の接触面２８（図２参照）と平行な面である。

複数の第一電極３４は、互いに独立している。この複数の第一電極３４は、同一の形状である。複数の第一電極３４は、一例として、平面視で正方形に形成されている。平面視とはＺ軸方向に見ることに相当する。複数の第一電極３４は、一例として、Ｘ軸方向に６個ずつ、Ｙ軸方向に６個ずつ配列されている。つまり、複数の第一電極３４の数は３６個である。この複数の第一電極３４は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ等間隔に配列されている。

図５は、図３の第二電極層２６の平面図である。第二電極層２６は、単層である複数の第二電極３６によって構成されている。複数の第二電極３６は、例えば、導電ゴムによって形成される。この複数の第二電極３６は、それぞれ平板状に形成されている。複数の第二電極３６は、基板１６のグランドに接続されていてもよく、グランドに対して浮いていてもよい。

複数の第二電極３６は、互いに独立した複数の島部を形成している。この複数の第二電極３６は、Ｘ－Ｙ平面に沿って行列状に配列されている。つまり、複数の第二電極３６は、Ｘ軸方向を縦方向とし、Ｙ軸方向を横方向として配列されている。

複数の第二電極３６は、同一の形状である。複数の第二電極３６は、一例として、それぞれ平面視で正方形に形成されている。複数の第二電極３６の数は、上述の複数の第一電極３４（図４参照）の数よりも少ない。この複数の第二電極３６は、一例として、Ｘ軸方向に３個ずつ、Ｙ軸方向に３個ずつ配列されている。つまり、複数の第二電極３６の数は９個である。この複数の第二電極３６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ等間隔に配列されている。

図６は、図３の複数の第二電極３６と弾力層２２と基板１６とを重ねた状態を示す平面図である。複数の第二電極３６は、平面視で複数の第一電極３４の全てと重なるように配置されている。複数の第二電極３６のそれぞれは、平面視で複数の第一電極３４のうちＸ軸方向及びＹ軸方向に隣接する４個の第一電極３４のそれぞれと部分的に重なるように形成されている。各第二電極３６は、平面視で４個の第一電極３４の中心部に位置し、この４個の第一電極３４と部分的に重なっている。

このように、第一実施形態では、複数の第一電極３４の全てが複数の第二電極３６と部分的に重なっている。この第一実施形態では、複数の第一電極３４の全てが、「複数の第二電極と部分的に重なる複数の部分重畳電極」の一例に相当し、複数の第一電極３４から出力される複数の信号は、「複数の部分重複電極信号」の一例に相当する。

第一実施形態では、複数の第一電極３４の全てが、「第二電極と部分的に重なる複数の部分重複電極」の一例に相当し、複数の第一電極３４から出力される複数の信号は、「複数の部分重複電極信号」の一例に相当する。

第一電極３４と第二電極３６との間の静電容量Ｃ［Ｆ］は、次式によって求められる。
Ｃ＝ε×Ａ／ｄ
εは弾力層２２の誘電定数［Ｆｍ^－１］であり、Ａは第一電極３４と第二電極３６の平面視で重なり合う面積［ｍ^２］であり、ｄはＺ軸方向に沿った第一電極３４と第二電極３６との間の距離［ｍ］である。

このセンサ部１８では、接触面２８に圧力が加わり、各第一電極３４と第二電極３６との間の距離ｄが変化すると、この距離ｄの変化に応じて静電容量Ｃが変化する。また、センサ部１８では、接触面２８にせん断力が加わり、各第一電極３４と第二電極３６の重なり合う面積Ａが変化すると、この面積Ａの変化に応じて静電容量Ｃが変化する。

なお、後に詳述するが、接触面２８に加わる圧力とは、Ｚ軸方向に沿って接触面２８に加わる力に相当する。また、接触面２８に加わるせん断力とは、Ｚ軸方向と直交する方向に沿って接触面２８に加わる力に相当する。Ｚ軸方向と直交する方向には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及び、Ｘ軸方向とＹ軸方向とを組み合わせた方向がある。

複数の第一電極３４は、後述する静電容量検出ＩＣ４４（図３、図７参照）によって駆動され、第二電極３６との間の静電容量Ｃに応じた信号をそれぞれ出力する。つまり、センサ部１８は、複数の第一電極３４のそれぞれに対応する複数の信号を出力する。この複数の信号は、アナログ信号である。

図７は、図３の基板１６の底面図である。複数の静電容量検出ＩＣ４４は、Ｘ－Ｙ平面に沿って行列状に配列されている。つまり、複数の静電容量検出ＩＣ４４は、Ｘ軸方向を縦方向とし、Ｙ軸方向を横方向として配列されている。複数の静電容量検出ＩＣ４４は、同一の構成である。複数の静電容量検出ＩＣ４４は、一例として、Ｘ軸方向に３個ずつ、Ｙ軸方向に３個ずつ配列されている。つまり、複数の静電容量検出ＩＣ４４の数は９個である。

各静電容量検出ＩＣ４４には、この静電容量検出ＩＣと平面視で重なる４個の第一電極３４が接続されている。各静電容量検出ＩＣ４４は、４個の第一電極３４を駆動し、この４個の第一電極３４から出力された信号に応じたデータを出力可能な構成である。

（触覚センサ１０の製造方法）
図８は、図３の触覚センサ１０の製造方法の一例を説明する図である。触覚センサ１０は、例えば、次の要領で製造される。すなわち、複数の第一電極３４がパターンによって第一面１６Ａに形成された基板１６の第二面１６Ｂに複数の静電容量検出ＩＣ４４が実装される。基板１６には、複数のスルーホールビア４６が形成されており、複数の静電容量検出ＩＣ４４は、複数のスルーホールビア４６を介して複数の第一電極３４と接続される。

続いて、複数の第一電極３４を有する第一電極層２４の上に弾力層２２が積層される。また、弾力層２２の上に、複数の第二電極３６（図５参照）によって構成された第二電極層２６が積層され、さらに、この第二電極層２６の上に、絶縁層２０が積層される。絶縁層２０、弾力層２２、第一電極層２４及び第二電極層２６は、例えば、接着剤等により互いに接着される。以上の要領で、触覚センサ１０は製造される。

なお、図５に示されるように、第二電極３６に複数の開口３８を形成する加工方法としては、抜き加工、切削加工、注型成形及び金型プレス成形等が挙げられる。

（変位Δｘ、Δｙ、Δｚの説明）
図９は、図３の触覚センサ１０における変位Δｘと変位Δｙの一例を説明する平面図である。なお、図９では、複数の第一電極３４のそれぞれと第二電極３６との間の静電容量Ｃ_００～Ｃ_５５が複数の第一電極３４のそれぞれに対応して示されている。

図１０は、図３の触覚センサ１０における変位Δｘと変位Δｚの一例を説明する図である。図１０には、（Ａ）垂直荷重Ｆｚ’なし、（Ｂ）垂直荷重Ｆｚ’あり、（Ｃ）せん断力Ｆｘあり、（Ｄ）垂直荷重Ｆｚ’あり＋せん断力Ｆｘありの場合がそれぞれ示されている。

図１１は、図３の触覚センサ１０における変位Δｙと変位Δｚの一例を説明する図である。図１１には、（Ａ）垂直荷重Ｆｚ’なし、（Ｂ）垂直荷重Ｆｚ’あり、（Ｃ）せん断力Ｆｙあり、（Ｄ）垂直荷重Ｆｚ’あり＋せん断力Ｆｙありの場合がそれぞれ示されている。

図９、図１０に示されるように、変位Δｘは、せん断力Ｆｘが作用することに伴って第二電極３６がＸ軸方向に沿って移動した距離に相当する。同様に、図９、図１１に示されるように、変位Δｙは、せん断力Ｆｙが作用することに伴って第二電極３６がＹ軸方向に沿って移動した距離に相当する。

図１０、図１１に示されるように、距離Ｚ_０は、垂直荷重Ｆｚ’が作用していないときの第一電極３４と第二電極３６との間のＺ軸方向に沿った距離に相当する。変位Δｚは、垂直荷重Ｆｚ’が作用することに伴って第二電極３６がＺ軸方向に沿って第一電極３４側に移動した距離に相当する。

以下、１つの第二電極３６と部分的に重なる隣り合わせの第一電極３４を例に変位Δｘ、Δｙ、Δｚの計算例を説明する。

（垂直荷重Ｆｚ’が作用していないとき：Δｘ、Δｙ、Δｚ＝０）
図１０（Ａ）、図１１（Ａ）に示されるように、垂直荷重Ｆｚ’が作用していないときには、Δｘ、Δｙ、Δｚ＝０であり、第二電極３６と部分的に重なる隣り合わせの第一電極３４については、式１が成立する。

[式１]
Ｃ_００＿０＝Ｋ１／Ｚ_０
Ｃ_０１＿０＝Ｋ２／Ｚ_０
Ｃ_００＿０、Ｃ_０１＿０は垂直荷重Ｆｚ’が作用していないときの隣り合わせの第一電極３４と第二電極３６との間の静電容量であり、Ｋ１、Ｋ２は定数である。
他の隣り合わせの第一電極３４と第二電極３６との間の静電容量についても、式１と同様の式が成立する。

（垂直荷重Ｆｚ’のみが作用しているとき：Δｘ、Δｙ＝０、Δｚ≠０）
図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）に示されるように、垂直荷重Ｆｚ’のみが作用しているときには、Δｘ、Δｙ＝０、Δｚ≠０であり、第二電極３６と部分的に重なる隣り合わせの第一電極３４については、式２が成立する。

［式２］
Ｃ_００＿ｚ＝Ｋ１／（Ｚ_０－Δｚ）
Ｃ_０１＿ｚ＝Ｋ２／（Ｚ_０－Δｚ）
Ｃ_００＿ｚ、Ｃ_０１＿ｚは垂直荷重Ｆｚ’のみが作用しているときの隣り合わせの第一電極３４と第二電極３６との間の静電容量である。

式２より、以下が求まる。
Ｃ_００＿ｚ／Ｋ１＝１／（Ｚ_０－Δｚ）
Ｚ_０－Δｚ＝Ｋ１／Ｃ_００＿ｚ
Δｚ＝Ｚ_０－Ｋ１／Ｃ_００＿ｚ

式１より、一方の第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｚについて以下が求まる。
Ｚ_０＝Ｋ１／Ｃ_００＿０
∴Δz＝Ｋ１（１／Ｃ_００＿０－１／Ｃ_００＿ｚ)
同様に、他方の第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｚについて以下が求まる。
Δz＝Ｋ２（１／Ｃ_０１＿０－１／Ｃ_０１＿ｚ)
他の第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｚについても、上記と同様に求まる。

（せん断力Ｆｘのみが作用しているとき：Δｙ、Δｚ＝０、Δｘ≠０）
図１０（Ｃ）に示されるように、せん断力Ｆｘのみが作用しているときには、Δｙ、Δｚ＝０、Δｘ≠０であり、第二電極３６と部分的に重なる隣り合わせの第一電極３４については、式３が成立する。

［式３］
Ｃ_００＿ｘ＝Ｋ１／Ｚ_０＋Δｘ・Ｋｐ／Ｚ_０
Ｃ_０１＿ｘ＝Ｋ２／Ｚ_０－Δｘ・Ｋｐ／Ｚ_０
Ｃ_００＿ｘ、Ｃ_０１＿ｘはせん断力Ｆｘのみが作用しているときのｘ方向に隣り合わせの第一電極３４と第二電極３６との間の静電容量であり、Ｋｐは定数である。

式３より、以下が求まる。
Δｘ・Ｋｐ／Ｚ_０＝Ｃ_００＿ｘ－Ｋ１／Ｚ_０
Δｘ・Ｋｐ＝Ｚ_０・Ｃ_００＿ｘ－Ｋ１
Δｘ＝（Ｚ_０・Ｃ_００＿ｘ－Ｋ１）／Ｋｐ
式１より、Ｋ１＝Ｚ_０×Ｃ_００＿０であるため、一方の第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｘについて以下が求まる。
Δｘ＝（Ｚ_０・Ｃ_００＿ｘ－Ｚ_０×Ｃ_００＿０）／Ｋｐ
Δｘ＝Ｚ_０／Ｋｐ×（Ｃ_００＿ｘ－Ｃ_００＿０）
同様に、他方の第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｘについて以下が求まる。
Δｘ＝Ｚ_０／Ｋｐ×（Ｃ_０１＿０－Ｃ_０１＿ｘ）
他の第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｘについても、上記と同様に求まる。

（せん断力Ｆｙのみが作用しているとき：Δｘ、Δｚ＝０、Δｙ≠０）
図１１（Ｃ）に示されるように、せん断力Ｆｙのみが作用しているときには、せん断力Ｆｘのみが作用しているときと同様の計算により、第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｙが求まる。

（垂直荷重Ｆｚ’及びせん断力Ｆｘのみが作用しているとき：Δｙ＝０、Δｘ、Δｚ≠０）
図１０（Ｄ）に示されるように、垂直荷重Ｆｚ’及びせん断力Ｆｘのみが作用しているときには、Δｙ＝０、Δｘ、Δｚ≠０であり、第二電極３６と部分的に重なる隣り合わせの第一電極３４については、式４が成立する。

［式４］
Ｃ_{００＿ｚｘ}＝Ｋ１／（Ｚ_０－Δｚ）＋Δｘ・Ｋｐ／（Ｚ_０－Δｚ）
Ｃ_{０１＿ｚｘ}＝Ｋ２／（Ｚ_０－Δｚ）＋Δｘ・Ｋｐ／（Ｚ_０－Δｚ）
Ｃ_{００＿ｚｘ}、Ｃ_{０１＿ｚｘ}は垂直荷重Ｆｚ’及びせん断力Ｆｘのみが作用しているときの第一電極３４と第二電極３６との間の静電容量である。

式４より、第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｚ、Δｘについて以下が求まる。
Δｚ＝（Ｋ１＋Ｋ２）｛１／（Ｃ_００＿０＋Ｃ_０１＿０）－１／（Ｃ_{００＿ｚｘ}＋Ｃ_{０１＿ｚｘ}）｝
Δｘ＝（Ｋ１＋Ｋ２）／２Ｋｐ・（Ｃ_{００＿ｚｘ}－Ｃ_{０１＿ｚｘ}）／（Ｃ_{００＿ｚｘ}＋Ｃ_{０１＿ｚｘ}）
他の第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｚ、Δｘについても、上記と同様に求まる。

（垂直荷重Ｆｚ’及びせん断力Ｆｙのみが作用しているとき：Δｘ＝０、Δｙ、Δｚ≠０）
図１１（Ｄ）に示されるように、垂直荷重Ｆｚ’及びせん断力Ｆｙのみが作用しているときには、垂直荷重Ｆｚ’及びせん断力Ｆｘのみが作用しているときと同様の計算により、隣り合わせの第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｚ、Δｙが求まる。

（垂直荷重Ｆｚ’及びせん断力Ｆｘ、Ｆｙが作用しているとき：Δｘ、Δｙ、Δｚ≠０）
垂直荷重Ｆｚ’及びせん断力Ｆｘ、Ｆｙが作用しているときには、第一電極３４に対する第二電極３６の変位Δｘ、Δｙ、Δｚを次のようにして求めることができる。１つの第二電極３６と部分的に重なる４つの第一電極３４の範囲では、各第一電極３４における変位Δｚの値は互いに近似している場合が多いので、変位Δｚの値は共通であると仮定する。その場合、各第一電極３４に対応する信号の大きさ（静電容量値）は、各第一電極３４の第二電極３６との重なり面積に比例する。よって、静電容量値Ｃ_００、Ｃ_０１、Ｃ_１０、Ｃ_１１の比は、重なり面積Ｓ_００、Ｓ_０１、Ｓ_１０、Ｓ_１１の比と等しい。すなわち、式５が成立する。
［式５］
Ｃ_００：Ｃ_０１：Ｃ_１０：Ｃ_１１＝Ｓ_００：Ｓ_０１：Ｓ_１０：Ｓ_１１

重なり面積Ｓ_００、Ｓ_０１、Ｓ_１０、Ｓ_１１は、無負荷状態での重なり面積の平方根をａとすると、式６で表される。
［式６］
Ｓ_００=(ａ-Δｘ)×(ａ-Δｙ)、Ｓ_０１=(ａ-Δｘ)×(ａ+Δｙ)、Ｓ_１０=(ａ+Δｘ)×(ａ-Δｙ)、Ｓ_１１=(ａ+Δｘ)×(ａ+Δｙ)

式６より、４つの重なり面積の和は、４ａ^２となり定数である。したがって、４つの重なり面積の和４ａ^２と式５から重なり面積Ｓ_００、Ｓ_０１、Ｓ_１０、Ｓ_１１が既知の値となる。以上より、式６の連立方程式により、未知の変位Δｘ、Δｙが算出可能である。

変位Δｘ、Δｙを算出したら、それらを既知の値として、共通の値であると仮定した変位Δｚを各第一電極３４における個別の変位Δｚに補正してもよい。この補正は、例えば別の手段で４つの変位Δｚの真値が測定できる環境で事前に変位Δｘ、Δｙと４つの変位Δｚとの間の相関関係を取得しておいてそれを利用することにより行うことができる。この相関関係の取得を機械学習により行ってもよい。

各第一電極３４に対応する４つの静電容量値がほぼ等しく、すなわち変位Δｘ及び変位Δｙがゼロに近いことが分かった場合には、上記のΔｘ、Δｙ＝０、Δｚ≠０の場合について説明した方法により、４つの第一電極３４における変位Δｚを個別に算出してもよい。Δｘ、Δｙ＝０、Δｚ≠０の場合というのは、例えば台に置かれた状態のワークＷを把持していて接触面２８にワークＷの重量がかかっていない場合である。この状態からワークＷを台から持ち上げると、変位Δｚはあまり変化しないまま、変位Δｘ、Δｙが主に変化するので、変位Δｚを既知の値と扱って変位Δｘ、Δｙをより正確に求めることができる。

本明細書において、「複数の圧力検出位置のそれぞれの圧力値を算出する」ことは、４つの第一電極３４のような複数の圧力検出位置における変位Δｚが共通と仮定した場合に、算出した共通の変位Δｚに基づく圧力値をそれぞれの圧力検出位置における圧力値として扱うことを含む。また、「複数の圧力検出位置のそれぞれの圧力値について代表値の算出を行うことで集約圧力値を算出する」ことは、４つの第一電極３４のような複数の圧力検出位置における変位Δｚが共通と仮定した場合に、算出した共通の変位Δｚに基づく圧力値を代表値として集約圧力値を算出することを含む。

以上説明したように、出力部１２は、それぞれのせん断力Ｆｘ、Ｆｙ値を、第二電極３６と部分的に重なる第一電極３４である少なくとも１つの部分重複電極を含む複数の第一電極３４のそれぞれに対応する複数の信号に基づいて、圧力が複数の信号に及ぼす影響を除去するようにして算出する。

次に、第一実施形態の作用及び効果について説明する。

触覚センサ１０（図３～図７参照）において、第二電極層２６は、単層である複数の第二電極３６によって構成されている。したがって、触覚センサ１０の構造及び製造工程を簡素化することができる。

また、第一電極３４と第二電極３６との間の距離に応じて変化する静電容量を検出することにより、複数の第一電極３４のそれぞれの位置で圧力を検出できる。さらに、各第二電極３６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に隣接する４個の第一電極３４のそれぞれと部分的に重なっているので、この４個の第一電極３４と第二電極３６の重なり合う面積に応じて変化する静電容量を検出することにより、各第二電極３６の位置でせん断力も検出できる。

しかも、複数の第二電極３６の数が、複数の第一電極３４の数よりも少ないことにより、１つの第二電極３６に対して複数の第一電極３４がマッチングされるので、例えば、複数の第一電極３４が複数の第二電極３６と１対１にマッチングされる場合に比して、複数の第一電極３４の互いの間隔を狭めることができる。これにより、複数の第一電極３４の数を確保できるので、圧力分布の分解能を確保できる。

このように、第一実施形態に係る触覚センサ１０によれば、簡素な構造及び製造工程でもせん断力を検出できると共に、圧力分布の分解能を確保できる。

次に、第一実施形態の変形例について説明する。

触覚センサ１０は、３６個の第一電極３４を有するが、複数の第一電極３４の数は、いくつでもよい。

複数の第二電極３６の数は、複数の第一電極３４の数よりも少なければ、いくつでもよい。

複数の第一電極３４は、好ましくは、接触面２８に沿って行列状に配列されるが、接触面２８内で所望の圧力分布が得られるのであれば、行列状以外の態様で配置されていてもよい。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態を説明する。

（触覚センサ１０の構成）
図１２は、第二実施形態に係る触覚センサ１０の縦断面図である。第二実施形態に係る触覚センサ１０は、上述の第一実施形態に係る触覚センサ１０（図３～図６参照）に対し、第二電極層２６の構成が次のように変更されている。

図１３は、図１２の第二電極層２６の平面図である。第二電極層２６は、単層である１の第二電極３６によって構成されている。つまり、第二電極３６は、１つの島部を形成している。第二電極３６は、例えば、導電ゴムによって形成される。この第二電極３６は、平板状に形成されている。第二電極３６は、基板１６のグランドに接続されていてもよく、グランドに対して浮いていてもよい。

図１４は、図１２の第二電極３６と弾力層２２と基板１６とを重ねた状態を示す平面図である。一例として、複数の第一電極３４の数は３６個であるのに対し、第二電極３６は、１つの島部を形成するので、第二実施形態では、第二電極３６によって形成される島部の数が複数の第一電極３４の数よりも少ない。

第二電極３６は、一例として、接触面２８（図１２参照）よりも小さい正方形に形成されている。この第二電極３６は、平面視で複数の第一電極３４の全てと重なる大きさを有している。具体的には、第二電極３６は、複数の第一電極３４のうち第二電極３６の外周部に沿って並ぶ第一電極３４と第二電極３６の外周部とが平面視で重なる大きさを有している。これにより、第二電極３６の外周部に沿って並ぶ第一電極３４は、平面視で第二電極３６と部分的に重なっており、複数の第一電極３４のうち第二電極３６の外周部の内側に位置する第一電極３４は、第二電極３６と全体的に重なっている。

第二実施形態では、複数の第一電極３４のうち第二電極３６と部分的に重なる第一電極３４が、「第二電極と部分的に重なる複数の部分重複電極」の一例に相当し、この第二電極３６と部分的に重なる第一電極３４から出力される複数の信号は、「複数の部分重複電極信号」の一例に相当する。

図１２に示される触覚センサ１０のセンサ部１８では、接触面２８に圧力が加わり、各第一電極３４と第二電極３６との間の距離ｄが変化すると、この距離ｄの変化に応じて静電容量Ｃが変化する。また、センサ部１８では、接触面２８にせん断力が加わり、第二電極３６と部分的に重なる第一電極３４（図１４参照）と第二電極３６の重なり合う面積Ａが変化すると、この面積Ａの変化に応じて静電容量Ｃが変化する。

このような構成の触覚センサ１０は、上述の第一実施形態に係る触覚センサ１０（図３～図６参照）と同様に製造される。

また、第二実施形態において、変位Δｘ、Δｙ、Δｚの計算は、第一実施形態の場合と同様の考え方に基づいて行う。

次に、第二実施形態の作用及び効果について説明する。

触覚センサ１０（図１２～図１４参照）において、第二電極層２６は、単層である１の第二電極３６によって構成されている。したがって、触覚センサ１０の構造及び製造工程を簡素化することができる。

また、第一電極３４と第二電極３６との間の距離に応じて変化する静電容量を検出することにより、複数の第一電極３４のそれぞれの位置で圧力を検出できる。さらに、複数の第一電極３４の一部、すなわち、第二電極３６の外周部に沿って並ぶ第一電極３４は、平面視で第二電極３６と部分的に重なっているので、この第一電極３４と第二電極３６の重なり合う面積に応じて変化する静電容量を検出することにより、第二電極３６の外周部に沿って並ぶ第一電極３４の位置でせん断力も検出できる。

しかも、第二電極３６の数が、１であり、複数の第一電極３４の数よりも少ないことにより、１つの第二電極３６に対して複数の第一電極３４がマッチングされるので、例えば、複数の第一電極３４が複数の第二電極３６と１対１にマッチングされる場合に比して、複数の第一電極３４の互いの間隔を狭めることができる。これにより、複数の第一電極３４の数を確保できるので、圧力分布の分解能を確保できる。

このように、第二実施形態に係る触覚センサ１０によれば、簡素な構造及び製造工程でもせん断力を検出できると共に、圧力分布の分解能を確保できる。

また、第二電極３６は、単一の構成であるので、例えば、第二電極３６が複数の部材によって構成される場合に比して、製造効率を向上させることができると共に、部品点数を削減することができる。

次に、第二実施形態の変形例について説明する。

第二電極３６の数は、１であるが、複数の第一電極３４の数よりも少なければ、第二電極３６の数は、いくつでもよい。

［第三実施形態］
次に、第三実施形態を説明する。

（触覚センサ１０の構成）
図１５は、第三実施形態に係る触覚センサ１０の縦断面図である。第三実施形態に係る触覚センサ１０は、上述の第一実施形態に係る触覚センサ１０（図３～図６参照）に対し、第二電極層２６の構成が次のように変更されている。

図１６は、図１５の第二電極層２６の平面図である。第二電極層２６は、単層である１の第二電極３６によって構成されている。第二電極３６は、例えば、導電ゴムによって形成される。この第二電極３６は、平板状に形成されている。第二電極３６は、一例として、平面視で正方形に形成されている。第二電極３６は、基板１６（図３参照）のグランドに接続されていてもよく、グランドに対して浮いていてもよい。

第二電極３６には、複数の開口３８が形成されている。複数の開口３８は、第二電極３６の板厚方向、すなわち、Ｚ軸方向に貫通している。この複数の開口３８は、Ｘ－Ｙ平面に沿って行列状に配列されている。つまり、複数の開口３８は、Ｘ軸方向を縦方向とし、Ｙ軸方向を横方向として配列されている。

複数の開口３８は、同一の形状である。複数の開口３８は、一例として、平面視で正方形に形成されている。複数の開口３８の数は、上述の複数の第一電極３４（図４参照）の数よりも少ない。複数の開口３８は、一例として、Ｘ軸方向に３個ずつ、Ｙ軸方向に３個ずつ配列されている。つまり、複数の開口３８の数は９個である。この複数の開口３８は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ等間隔に配列されている。

図１７は、図１５の第二電極３６と弾力層２２と基板１６とを重ねた状態を示す平面図である。第二電極３６は、平面視で複数の第一電極３４の全てと重なる大きさを有している。具体的には、第二電極３６は、平面視で第二電極３６の外形部の内側に複数の第一電極３４の全てが収まる大きさを有している。

複数の開口３８のそれぞれは、平面視で複数の第一電極３４のうちＸ軸方向及びＹ軸方向に隣接する４個の第一電極３４のそれぞれと部分的に重なるように形成されている。具体的には、各開口３８は、平面視で４個の第一電極３４の中心部に位置し、この４個の第一電極３４と部分的に重なっている。

このように、第三実施形態では、複数の第一電極３４の全てが平面視で第二電極３６の外形部の内側に収まっており、また、複数の第一電極３４の全てが開口３８と部分的に重なっている。複数の第一電極３４の全てが開口３８と部分的に重なることは、複数の第一電極３４の全てが第二電極３６と部分的に重なることに相当する。

第三実施形態では、複数の第一電極３４の全てが、「第二電極と部分的に重なる複数の部分重畳電極」の一例に相当し、複数の第一電極３４から出力される複数の信号は、「複数の部分重複電極信号」の一例に相当する。

図１５に示される触覚センサ１０のセンサ部１８では、接触面２８に圧力が加わり、各第一電極３４と第二電極３６との間の距離ｄが変化すると、この距離ｄの変化に応じて静電容量Ｃが変化する。また、センサ部１８では、接触面２８にせん断力が加わり、各第一電極３４と第二電極３６の重なり合う面積Ａが変化すると、この面積Ａの変化に応じて静電容量Ｃが変化する。

また、第三実施形態において、変位Δｘ、Δｙ、Δｚの計算は、第一実施形態の場合と同様の考え方に基づいて行う。

次に、第三実施形態の作用及び効果について説明する。

触覚センサ１０（図１５～図１７参照）において、第二電極層２６は、単層である１の第二電極３６によって構成されている。したがって、触覚センサ１０の構造及び製造工程を簡素化することができる。

また、第一電極３４と開口３８との間の距離に応じて変化する静電容量を検出することにより、複数の第一電極３４のそれぞれの位置で圧力を検出できる。さらに、各開口３８は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に隣接する４個の第一電極３４のそれぞれと部分的に重なっているので、この４個の第一電極３４と複数の開口３８の重なり合う面積に応じて変化する静電容量を検出することにより、各開口３８の位置でせん断力も検出できる。

しかも、第二電極３６に形成された開口３８の数が、複数の第一電極３４の数よりも少ないことにより、１つの開口３８に対して複数の第一電極３４がマッチングされるので、例えば、複数の第一電極３４が複数の開口３８と１対１にマッチングされる場合に比して、複数の第一電極３４の互いの間隔を狭めることができる。これにより、複数の第一電極３４の数を確保できるので、圧力分布の分解能を確保できる。

このように、第三実施形態に係る触覚センサ１０によれば、簡素な構造及び製造工程でもせん断力を検出できると共に、圧力分布の分解能を確保できる。

また、第二電極３６は、複数の開口３８を有する単一の構成であるので、例えば、第二電極３６が複数の部材によって構成される場合に比して、製造効率を向上させることができると共に、部品点数を削減することができる。

［第四実施形態］
次に、第四実施形態を説明する。

（触覚センサ１０の構成）
図１８は、第四実施形態に係る触覚センサ１０の縦断面図である。第四実施形態に係る触覚センサ１０は、上述の第一実施形態に係る触覚センサ１０（図３～図６参照）に対し、第二電極層２６の構成が次のように変更されている。

図１９は、図１８の第二電極層２６の平面図である。第二電極層２６は、単層である１の第二電極３６によって構成されている。第二電極３６は、平板状に形成されている。この第二電極３６は、基板１６のグランドに接続されていてもよく、グランドに対して浮いていてもよい。第二電極３６は、例えば、導電ゴムによって形成される。

第二電極３６には、１つの開口３８が形成されている。開口３８は、一例として、第二電極３６の中央部に形成されている。第二電極３６は、平面視で正方形に形成されており、開口３８も、平面視で正方形に形成されている。

図２０は、図１８の第二電極３６と弾力層２２と基板１６とを重ねた状態を示す平面図である。一例として、複数の第一電極３４の数は３６個であるのに対し、第二電極３６には、１つの開口３８が形成されているので、第四実施形態では、第二電極３６に形成された開口３８の数が複数の第一電極３４の数よりも少ない。

第二電極３６は、平面視で複数の第一電極３４の全てと重なる大きさを有している。具体的には、第二電極３６は、平面視で第二電極３６の外形部の内側に複数の第一電極３４の全てが収まる大きさを有している。

開口３８は、一例として、平面視でＸ軸方向及びＹ軸方向に隣接する中央の４個の第一電極３４の全てを収める最小の正方形よりも小さい正方形に形成されている。開口３８は、平面視で中央の４個の第一電極３４の中心部に位置し、この４個の第一電極３４と部分的に重なっている。これにより、複数の第一電極３４のうち中央の４個の第一電極３４は、平面視で第二電極３６と部分的に重なっており、複数の第一電極３４のうち中央の４個の第一電極３４以外の第一電極３４は、第二電極３６と全体的に重なっている。

第二実施形態では、複数の第一電極３４のうち中央の４個の第一電極３４が、「第二電極と部分的に重なる複数の部分重複電極」の一例に相当し、この中央の４個の第一電極から出力される複数の信号は、「複数の部分重複電極信号」の一例に相当する。

第四実施形態において、変位Δｘ、Δｙ、Δｚの計算は、第一実施形態の場合と同様の考え方に基づいて行う。

次に、第四実施形態の作用及び効果について説明する。

触覚センサ１０（図１８～図２０参照）において、第二電極層２６は、単層である１の第二電極３６によって構成されている。したがって、触覚センサ１０の構造及び製造工程を簡素化することができる。

また、第一電極３４と第二電極３６との間の距離に応じて変化する静電容量を検出することにより、複数の第一電極３４のそれぞれの位置で圧力を検出できる。さらに、複数の第一電極３４のうち中央の４個の第一電極３４は、平面視で第二電極３６の中央に形成された開口３８と部分的に重なっているので、この４個の第一電極３４と第二電極３６の重なり合う面積に応じて変化する静電容量を検出することにより、開口３８の位置でせん断力も検出できる。

しかも、第二電極３６に形成された開口３８の数が、１であり、複数の第一電極３４の数よりも少ないことにより、１つの開口３８に対して複数の第一電極３４がマッチングされるので、例えば、複数の第一電極３４が複数の開口３８と１対１にマッチングされる場合に比して、複数の第一電極３４の互いの間隔を狭めることができる。これにより、複数の第一電極３４の数を確保できるので、圧力分布の分解能を確保できる。

このように、第四実施形態に係る触覚センサ１０によれば、簡素な構造及び製造工程でもせん断力を検出できると共に、圧力分布の分解能を確保できる。

次に、第四実施形態の変形例について説明する。

第二電極３６には、１つの開口３８が形成されているが、開口３８の数が、複数の第一電極３４の数よりも少なければ、開口３８の数は、いくつでもよい。

以上、本願の開示する技術の第一乃至第四実施形態について説明したが、本願の開示する技術は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１…触覚センシングシステム、１０…触覚センサ、１２…出力部、１４…支持プレート、１６…基板、１６Ａ…第一面、１６Ｂ…第二面、１８…センサ部、２０…絶縁層、２２…弾力層、２４…第一電極層、２６…第二電極層、２８…接触面、３４…第一電極、３６…第二電極、３８…開口、４４…静電容量検出Ｉ、４６…スルーホールビア、１００…ロボットシステム、１０２…ロボット、１０４…コントローラ、１０６…ロボットアーム、１０８…ロボットハンド、１１０…関節部、１１２…手首関節部、１１４…把持部、１１４Ａ…対向面、Ｗ…ワーク

Claims

対象物との接触面を有すると共に、弾力層と、前記弾力層を挟んだ両側に位置する第一電極層及び第二電極層とが前記接触面の法線方向に積層された積層構造を有する静電容量方式のセンサ部を備え、
前記第一電極層は、複数の第一電極を有し、
前記第二電極層は、単層である複数の第二電極によって構成され、
前記複数の第一電極は、前記法線方向に見て前記第二電極と部分的に重なる部分重複電極であり、
複数の前記第二電極のそれぞれは、前記法線方向に見て前記複数の第一電極のうち隣接する第一電極のそれぞれと部分的に重なるように形成されており、
複数の前記第二電極は、複数の島部を形成し、
前記複数の島部の数は、前記複数の第一電極の数よりも少ない、
触覚センサ。
対象物との接触面を有すると共に、弾力層と、前記弾力層を挟んだ両側に位置する第一電極層及び第二電極層とが前記接触面の法線方向に積層された積層構造を有する静電容量方式のセンサ部を備え、
前記第一電極層は、複数の第一電極を有し、
前記第二電極層は、単層である１の第二電極によって構成され、
前記複数の第一電極は、前記法線方向に見て前記第二電極と部分的に重なる部分重複電極であり、
前記第二電極には、複数の開口が形成され、
複数の前記開口のそれぞれは、前記法線方向に見て前記複数の第一電極のうち隣接する第一電極のそれぞれと部分的に重なるように形成されており、
複数の前記開口の数は、前記複数の第一電極の数よりも少ない、
触覚センサ。
対象物との接触面を有すると共に、弾力層と、前記弾力層を挟んだ両側に位置する第一電極層及び第二電極層とが前記接触面の法線方向に積層された積層構造を有する静電容量方式のセンサ部を備え、
前記第一電極層は、複数の第一電極を有し、
前記第二電極層は、単層である１の第二電極によって構成され、
前記複数の第一電極のうちの２以上は、前記法線方向に見て前記第二電極と部分的に重なる部分重複電極であり、
前記第二電極には、1の開口が形成され、
複数の前記部分重複電極のそれぞれは、前記法線方向に見て１の前記開口と部分的に重なるように形成されている、
触覚センサ。