JP7461633B2

JP7461633B2 - 触覚センサ

Info

Publication number: JP7461633B2
Application number: JP2020049840A
Authority: JP
Inventors: 尚石原; 拓実川節; 隆斗堀井; 耕細田; 翔大濱口
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2024-04-04
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: JP2021148652A

Description

本発明は、変形検知機能を備えた柔軟素材により構成される触覚センサに関する。

肉厚柔軟素材に変形検知機能を与える場合、変形検知機能の柔軟性及び耐久性と感度との両立が課題となる。例えば、肉厚柔軟素材の中に配線、センサ素子を埋め込むと、肉厚柔軟素材の柔軟性が失われてしまうし、また、肉厚柔軟素材の大変形時に配線、センサ素子が容易に破壊されてしまう。しかしながら、配線、センサ素子の容易な破壊を回避するために配線、センサ素子を肉厚柔軟素材の底面に配置すると、肉厚柔軟素材の表面部における微小な変形に対するセンサ素子の感度が損なわれる。

この問題に対して、肉厚柔軟素材の中に磁石を配置し、肉厚柔軟素材の変形に伴う磁石の移動を、肉厚柔軟素材の底面に配置した磁気検知センサ素子によって遠隔で検出する仕組みとすることで、耐久性と感度との両立を図る触覚センサが知られている（特許文献１）。

しかしながら、特許文献１のように磁石をそのまま肉厚柔軟素材の中に配置した場合には肉厚柔軟素材に対する触感が損なわれる。この問題を回避するため、微細粒子とした磁石を肉厚柔軟素材の表面に分散させる触覚センサが知られている（特許文献２）。

そして、肉厚柔軟素材の底面に配置した磁気検知センサ素子の付近に磁石を配置することで、肉厚柔軟素材中の磁性粒子を磁化させる工程を省略している触覚センサが知られている（特許文献３）。

特開2011-153826号公報（2011年8月11日公開）特開2015-202821号公報（2015年11月16日公開）特開2018-17536号公報（2018年2月1日公開）

しかしながら、特許文献１及び２に記載の上述のような触覚センサは、肉厚柔軟素材の中に磁石が存在するため、以下の問題がある。

まず、磁石となる素材の磁化方向を触覚センサの表面形状に沿って揃える製造工程が触覚センサの高感度化には必須であるため、曲面形状等の複雑な形状をした触覚センサの製造が困難である。

また、触覚センサの外に漏れる磁束の量が多いため、磁気に弱い対象に触覚センサを接触させることが困難である。また、触覚センサ表面付近にあって表面には触れていない金属が存在すると、漏れる磁束の量に応じて磁場が変化してしまうため、触覚センサの応答が変化してしまう。

そして、磁気の変化を計測するセンサを用いているため、地磁気中でセンサ自体の傾きが変化する状況や、磁場を発する磁石や電気モータが近くに存在する状況での使用に難がある。

また、特許文献３に記載の触覚センサは、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect、巨大磁気抵抗効果）センサ、ホールセンサのような電気機械的に繊細なセンサ素子が必要であり、また、これらのセンサ素子を対象物が接触する位置の近くに配置する必要があるため、対象物の接触を感知する接触部の領域付近の構造が複雑になり、また、接触部を柔軟な構造にすることができない。

そして、特許文献１及び２に記載の触覚センサにおいても、接触部の柔軟素材の底面に硬質素材であるセンサ素子を配置する必要があるため、接触部を柔軟な構造にすることができない。

本発明の一態様は、対象物が接触する接触部を柔軟な構造にすることができる触覚センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る触覚センサは、対象物の接触に応じて弾性変形可能に柔軟素材で形成された第１貯蔵室と、前記第１貯蔵室に接触した対象物を検知するために前記第１貯蔵室から離れた位置に形成された第２貯蔵室と、前記第１貯蔵室と前記第２貯蔵室とを連通する流路と、前記第２貯蔵室に対向する位置に形成されたコイルと、前記対象物の接触に応じて前記コイルの誘導係数を変化させるために、前記第１貯蔵室から前記流路及び前記第２貯蔵室に亘って封入された流動体とを備え、前記第２貯蔵室が、前記コイルの誘導係数を変化させるために前記流路に対向して配置されて前記流動体の変位に応じて撓み変形可能に形成された柔軟薄壁を有することを特徴とする。

この特徴によれば、対象物の接触に応じて弾性変形可能に柔軟素材で形成された第１貯蔵室と、第１貯蔵室に接触した対象物を検知するための第２貯蔵室とが、互いに離れた位置に配置される。この結果、対象物が接触する第１貯蔵室を含む接触部を柔軟な構造にすることができる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記流動体が、液体を含むことが好ましい。

上記構成によれば、第１貯蔵室から流路及び第２貯蔵室に亘って封入された液体が、対象物の接触に応じた第１貯蔵室の弾性変形により、第１貯蔵室から流路及び第２貯蔵室に向かって流動する。このため、流路に対向して配置された柔軟薄壁を液体の変位に応じて撓み変形させることができる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記液体が、導電性を有する液体金属を含むことが好ましい。

上記構成によれば、導電性を有する液体金属の変位により、渦巻きコイルの誘導係数を変化させることができる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記流動体は、前記第１貯蔵室から前記第２貯蔵室の前記柔軟薄壁に亘って封入されており、前記柔軟薄壁が、前記流動体を前記第２貯蔵室の外の大気から区切るように形成されることが好ましい。

上記構成によれば、第１貯蔵室から柔軟薄壁に亘って封入された流動体の変位により、柔軟薄壁の撓み変形が容易になる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記柔軟薄壁が、前記第２貯蔵室を分割するように形成されており、前記流動体は、前記第１貯蔵室から前記第２貯蔵室の前記柔軟薄壁に亘って封入されており、前記第２貯蔵室が、前記柔軟薄壁の前記流路と反対側を大気と連通させる連通孔を有することが好ましい。

上記構成によれば、柔軟薄壁の流路と反対側から連通孔を通って空気が出ていくことができるので、対象物の接触に応じて流動体が柔軟薄壁を押すことにより、柔軟薄壁の撓み変形が容易になる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記第１貯蔵室が、前記柔軟素材に円筒状に形成され、前記対象物が、前記円筒の端面の一方に接触することが好ましい。

上記構成によれば、第１貯蔵室が、簡素な構成となり、容易に製作することができる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記第２貯蔵室が、前記柔軟素材に半円筒状に形成され、前記流路が、前記半円筒の周面に接続され、前記柔軟薄壁が、前記半円筒の前記流路と反対側の平面に形成されることが好ましい。

上記構成によれば、第２貯蔵室、流路、及び柔軟薄壁が、簡素な構成となり、容易に製作することができる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記第１貯蔵室、前記第２貯蔵室、及び前記流路が前記柔軟素材で一体に形成されることが好ましい。

上記構成によれば、第１貯蔵室、第２貯蔵室、及び流路が、簡素な構成となり、容易に製作することができる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記コイルを形成するために前記第２貯蔵室に対向する位置に配置された基板と、前記コイルの誘導係数の変化を計測するために前記コイルに接続された計測回路とをさらに備えることが好ましい。

上記構成によれば、簡素な構成で、コイルを保持しコイルの誘導係数を測定することができる。

本発明の一態様に係る触覚センサは、前記コイルが渦巻きコイルを含み、前記基板が、フレキシブル基板を含むことが好ましい。

上記構成によれば、渦巻きコイルに関連する構成を薄くすることができ、コンパクトな触覚センサを提供することができる。

本発明の一態様によれば、対象物が接触する接触部を柔軟な構造にすることができる触覚センサを提供することができる。

実施形態に係る触覚センサの外観を示す画像である。上記触覚センサに設けられた液体金属が封入された流路とコイル回路とを示す画像である。上記触覚センサの側面図である。上記触覚センサの平面図である。上記触覚センサの斜視図である。上記触覚センサの外観を示す平面画像である。上記触覚センサの最上部の蓋を外した状態の平面画像である。上記触覚センサの動作原理を説明するための平面図である。上記触覚センサの上記第１貯蔵室、第２貯蔵室、及び流路の製造方法を示す斜視図である。上記第１貯蔵室、第２貯蔵室、及び流路に液体金属を注入する工程を示す斜視図である。上記触覚センサの柔軟層のカバーを製作する工程を示す斜視図である。上記第１貯蔵室、第２貯蔵室、及び流路の寸法の一例を説明するための平面図である。上記触覚センサに設けられたコイルを説明するための平面図である。上記触覚センサの第１貯蔵室、第２貯蔵室、及び流路を示す平面図である。上記第１貯蔵室、第２貯蔵室、及び流路を示す側面断面図である。上記触覚センサの押込み試験の実験環境を示す図である。流路厚み１ｍｍの実験試料の触覚センサを示す斜視図である。流路厚み２ｍｍの実験試料の触覚センサを示す斜視図である。流路厚み３ｍｍの実験試料の触覚センサを示す斜視図である。上記流路厚み１ｍｍの触覚センサの押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。上記流路厚み２ｍｍの触覚センサの押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。上記流路厚み３ｍｍの触覚センサの押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。直径５ｍｍの第１貯蔵室を備えた触覚センサの押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。直径１０ｍｍの第１貯蔵室を備えた触覚センサの押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。直径１５ｍｍの第１貯蔵室を備えた触覚センサの押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。鉛直上向きへの曲げを加えた触覚センサの曲率と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。上記鉛直上向きへの曲げを加えた触覚センサの外観を示す画像である。水平方向への曲げを加えた触覚センサの曲率と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。上記水平方向への曲げを加えた触覚センサの外観を示す画像である。

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は実施形態に係る触覚センサ１の外観を示す画像である。図２は触覚センサ１に設けられた液体金属６が封入された流路４とコイル回路１１とを示す画像である。図３は触覚センサ１の側面図である。図４は触覚センサ１の平面図である。図５は触覚センサ１の斜視図である。

触覚センサ１は、シリコンゴムにより形成された板状の柔軟層１２（柔軟素材）を備える。柔軟層１２には、対象物の接触に応じて弾性変形可能に形成された第１貯蔵室２と、第１貯蔵室２に接触した対象物を検知するために第１貯蔵室２から離れた位置に形成された第２貯蔵室３と、第１貯蔵室２と第２貯蔵室３とを連通する直線状の流路４とが設けられる。第１貯蔵室２、第２貯蔵室３、及び流路４は、柔軟層１２で一体に形成されることが好ましい。

触覚センサ１はコイル回路１１をさらに備える。コイル回路１１は、第２貯蔵室３に対向する位置に配置されたフレキシブル基板７と、フレキシブル基板７に形成された渦巻きコイル５とを含む。

そして、対象物の接触に応じて渦巻きコイル５の誘導係数（インダクタンス、inductance）を変化させるための導電性を有する液体金属６（流動体、液体）が、第１貯蔵室２から流路４及び第２貯蔵室３に亘って封入される。

第２貯蔵室３は、渦巻きコイル５の誘導係数を変化させるために流路４に対向して配置されて液体金属６の変位に応じて撓み変形可能に形成された柔軟薄壁９を有する。柔軟薄壁９は、例えばシリコンゴムにより形成される。

液体金属６は、第１貯蔵室２から第２貯蔵室３の柔軟薄壁９に亘って封入されており、柔軟薄壁９が、液体金属６を第２貯蔵室３の外の大気から区切るように形成されていてもよい。

また、柔軟薄壁９が、第２貯蔵室３を分割するように形成されており、液体金属６は、第１貯蔵室２から第２貯蔵室３の柔軟薄壁９に亘って封入されており、第２貯蔵室３が、柔軟薄壁９の流路４と反対側を大気と連通させる連通孔を有していてもよい。

第１貯蔵室２は、例えば、柔軟層１２に円筒状に形成され、対象物は、この円筒の端面の一方に接触する。第２貯蔵室３は、例えば、柔軟層１２に半円筒状に形成され、流路４が、この半円筒の周面に接続され、柔軟薄壁９が、この半円筒の流路４と反対側の平面に形成される。

触覚センサ１は、渦巻きコイル５の誘導係数の変化を計測するために渦巻きコイル５に接続された計測回路８をさらに備える。

渦巻きコイル５は、第２貯蔵室３の半径と同程度の半径を有し、第２貯蔵室３に対向する位置に配置される。

流路４の一部と第２貯蔵室３とコイル回路１１とを保護するためにプラスチック製のカバー１８が設けられる。

触覚センサ１は、コイル式触覚センサの柔軟素材である柔軟層１２と硬質素材であるコイル回路１１とを分離する構造に着目し、液体金属６を封入した流路４と渦巻きコイル５とを組み合わせて構成される。柔軟層１２には、液体金属６を封入した流路４のみが埋め込まれ、硬質素材は一切埋め込まれない。液体金属６は電極等で電気的に接続する構成が不要であり、柔軟層１２の外部に配置された渦巻きコイル５により、液体金属６の変位が非接触で検知される。

柔軟層１２は、流路４を安定に密封可能で、容易に変形可能な素材であればよく、例えば、エラストマを用いて構成することができる。

図６は触覚センサ１の外観を示す平面画像である。図７は触覚センサ１の最上部の蓋を外した状態の平面画像である。図８は触覚センサの動作原理を説明するための平面図である。

触覚センサ１は、下記の動作原理に基づいて、第２貯蔵室３内の液体金属６の変位を測定することにより、第１貯蔵室２に作用する垂直抗力を評価することができる。第１貯蔵室２に垂直抗力が作用すると、第１貯蔵室２内の液体金属６が流路４を通って第２貯蔵室３に向かって押し出される。そして、押し出された液体金属６が第２貯蔵室３の柔軟薄壁９を押し出すことにより柔軟薄壁９を撓み変形により膨らませる。柔軟薄壁９は薄いため柔軟層１２の他の部分よりも容易に歪むので、柔軟薄壁９の膨張方向は、図４の矢印Ａに示されるように、－Ｘ方向（左方向）に限定される。このため、渦巻きコイル５に重なる液体金属６の量が、第１貯蔵室２に作用する垂直抗力に応じて増大する。ここで、渦巻きコイル５は、渦電流効果を用いることによる金属検出器として使用することができる。つまり、渦巻きコイル５の誘導係数は、渦巻きコイル５の近くの導体の位置に応じて変化する。実施形態に係る触覚センサ１では、渦巻きコイル５に重なる液体金属６の量が増大すると、液体金属６の中の渦電流が増加し、このため、渦巻きコイル５の誘導係数が減少する。このように、渦巻きコイル５の誘導係数の変化を監視することにより、第１貯蔵室２に作用する垂直抗力を評価することができる。

このように、第１貯蔵室２の付近に外力が加わった場合、液体金属６が流路４を通って渦巻きコイル５の上方に移動する。渦巻きコイル５の誘導係数の値は、付近の導電体の空間分布によって変化する。このため、計測回路８によって渦巻きコイル５の誘導係数を計測すると、第１貯蔵室２に外力が加わったことを検出することができる。また、加わる外力又は生じた変位と誘導係数の値との間の関係を把握しておけば、加えられた外力の大きさ又は変位の大きさを推定することができる。

コイルに交流電流を流すとコイルから交流磁界が発生し、その交流磁界が導電体を貫くと導電体に渦電流が生じ誘導係数が減少する。この現象は、渦電流センサとして金属探知機に用いられる。本実施形態に係る触覚センサ１では、第１貯蔵室２への対象物の接触に基づく液体金属６の分布変化を、渦巻きコイル５の誘導係数の変化から検知している。

本発明者らは、基板上に形成された非磁性柔軟層と、鉄粒子が分散され、非磁性柔軟層により支持されるように形成された磁性柔軟層と、基板に形成されて、磁性柔軟層に作用する外力による鉄粒子の変位に基づいて誘導係数が変化するコイルと、コイルの誘導係数の変化を計測する誘導係数計測回路とを備える接触センサを提案しているが（国際公開第2019/049888号パンフレット）、さらに本発明者らは、鉄粒子が分散されたシリコンゴム（ＭＲＥ）の接触センサと、それを液体金属に置き換えた接触センサとでセンサ感度を比較すると、ＭＲＥを液体金属に置き換えることでおよそ感度が７倍弱になるとの知見を見出している。本願発明は上記知見に基づいて、高度に創造されたものである。

第１貯蔵室２は、円筒状に限定されず、例えば直方体形状に形成されてもよい。第２貯蔵室３も、半円筒状に限定されず、例えば直方体形状に形成されてもよい。

第２貯蔵室３は、第１貯蔵室２のようにシリコンゴムのような柔軟層１２で形成されていなくてもよく、柔軟薄壁９が柔軟素材で形成されていればよい。

流路４は、第１貯蔵室２と第２貯蔵室３とを連通すればよく、柔軟層１２で形成されていなくてもよい。例えば流路４は、第１貯蔵室２と第２貯蔵室３とを接続するチューブ状に形成されていてもよい。

また、流路４内の流動体の移動を大きく妨げない限りは、流路４には流動体の変位に応じて撓み変形可能に形成された柔らかい薄膜状の隔壁が設けられていてもよい。この隔壁の第２貯蔵室３側に液体金属６を注入すれば、この隔壁の第１貯蔵室２側に注入する流動体は水などでも済ませられる。これにより、流動体漏洩の際にも安全が確保され、流動体の材料費も安価になる。

流路４は、１個の渦巻コイル５に対して１本形成される例を示したが、複数本の流路４が形成されてもよい。

渦巻コイル５を用いる例を示したが、四角形状のコイル、三角形状のコイルを用いてもよいし、螺旋コイルを用いてもよい。１本の流路４に対して１個の渦巻コイル５を設ける例を示したが、複数個の渦巻コイル５を設けてもよい。

柔軟薄壁９は、対象物が接触して液体金属６が変位する前は平面状になっている例を示したが、液体金属６が変位する前に曲面状になっていてもよいし、液体金属６が変位する前に波形形状になっていてもよい。

第２貯蔵室３の柔軟薄壁９の流路４と反対側は、大気と連通している例を示したが、密封されて減圧されるように構成してもよいし、低弾性材料で構成されていてもよい。

流路４のＹ方向の寸法は、第１貯蔵室２及び第２貯蔵室３のＹ方向の寸法よりも小さい。流路４のＺ方向の寸法は、第１貯蔵室２及び第２貯蔵室３のＺ方向の寸法と等しい例を示しているが、第１貯蔵室２及び第２貯蔵室３のＺ方向の寸法よりも小さくてもよい。

円筒状の第１貯蔵室２に、円筒の一対の端面を接続する支柱をシリコンゴムにより形成してもよい。これにより、接触力がより大きい対象物の接触も検知することができる。

以下、触覚センサ１の感度調整の方法を説明する。触覚センサ１の感度を高めるためには、第１貯蔵室２の剛性を低くしてもよいし、第２貯蔵室３の柔軟薄壁９の変形量が大きくなるように第１貯蔵室２の円柱の直径や流路４の厚みを調節すればよい。あるいは、渦巻コイル５を自己誘導係数の高いものにしてもよいし、渦巻コイル５の電流を大きくしてもよい。また、液体金属６を導電性の高いものにしてもよい。

次に、図９～図１１を参照して、触覚センサ１の製造方法を説明する。

図９は触覚センサ１の第１貯蔵室２、第２貯蔵室３、及び流路４の製造方法を示す斜視図である。図１０は第１貯蔵室２、第２貯蔵室３、及び流路４に液体金属６を注入する工程を示す斜視図である。図１１は触覚センサ１の柔軟層１２のカバー１８を製作する工程を示す斜視図である。

まず、図９に示すように、未硬化シリコンゴム１３を３次元プリントの雌型１４に流し込むことにより、第１貯蔵室２、第２貯蔵室３、及び流路４のための溝が形成されたシリコンゴムシート１５を製造する。未硬化シリコンゴム１３は、例えば、プラチナを触媒として硬化する性質を有する未硬化シリコンゴム（Ecoflex 00-30, Smooth-On Inc., USA）を使用することができる。

シリコンゴムシート１５は、硬化した後、他の３次元プリントの雌型１７にセットする。その後、図１０に示すように、シリコンゴムシート１５内の溝に液体金属６を流し込む。液体金属６は、例えば、融点１５．５℃の共晶ガリウム－インジウム（eGaIn [23]; 75 wt.%. Ga and 25 wt.% In)）、融点－１９℃のガリンスタン（Galinstan；68.5 wt.%. Ga, 21.5 wt.%. In, and 10 wt.%. Sn）、及び融点３０℃のガリウム（Ga）のうちの少なくとも一つを用いることができる。

最後に、図１１に示すように、雌型１７にセットされたシリコンゴムシート１５上に未硬化シリコンゴム１３を流し込んで液体金属６を封入するためのカバー１８を形成する。ここで、第２貯蔵室３が図４の矢印Ａの方向に容易に膨張できるようにするための空間を形成するために、プラスチック製の直方体状のブロックパーツ１６が第２貯蔵室３の脇に配置される。未硬化シリコンゴム１３が硬化した後、ブロックパーツ１６はシリコンゴムシート１５から除去される。これにより、第１貯蔵室２、第２貯蔵室３、及び流路４に液体金属６が封入された柔軟層１２が製造される。そして、この柔軟層１２をコイル回路１１、計測回路８と組み合わせることにより触覚センサ１が完成する。

図１２は第１貯蔵室２、第２貯蔵室３、及び流路４の寸法の一例を説明するための平面図である。本実施形態では、寸法パラメータとセンサの応答特性との間の関係を検討するために９種類の触覚センサ１を製作した。これらの９種類の触覚センサ１は、第１貯蔵室２の直径と流路４の厚みｔとの組み合わせが異なっている。

第１貯蔵室２の直径は５ｍｍ、１０ｍｍ、及び１５ｍｍから選択される。流路４の厚みｔは、１ｍｍ、２ｍｍ、及び３ｍｍから選択される。これらを組み合わせた９種類の触覚センサ１の他の構造パラメータは共通している。

第２貯蔵室３の直径は１０ｍｍである。これは、渦巻コイル５の直径と同じである。柔軟薄壁９の厚みｔ２は１ｍｍである。直線状の流路４の幅Ｗは２ｍｍであり、流路４の長さＬ１は、第１貯蔵室２の中心と第２貯蔵室３の中心との間で９２．５ｍｍである。

柔軟層１２の長辺Ｌ２は１４０ｍｍであり、短辺Ｌ３は３０ｍｍである。流路４の上側の柔軟層１２の厚みｔ３及び流路４の下側の柔軟層１２の厚みｔ４は、それぞれ１ｍｍである。従って、柔軟層１２のトータルの厚みｔ５は、流路４の厚みｔ＝２ｍｍと、流路４の上側の柔軟層１２の厚みｔ３＝１ｍｍと、流路４の下側の柔軟層１２の厚みｔ４＝１ｍｍとの合計の４ｍｍになる。従って、流路４の厚みｔが３ｍｍであれば、柔軟層１２のトータルの厚みｔ５は５ｍｍになる。

図１３は触覚センサ１に設けられた渦巻コイル５を説明するための平面図である。フレキシブル基板７に形成された複数層平面型の渦巻コイル５が、液体金属６の変位の検出に用いられる。渦巻コイル５の直径Ｄは例えば１０ｍｍである。渦巻コイル５の巻き数Ｎは、例えば１層当たり１６である。トレース幅Ｗ１及びトレース間隔Ｗ２は共に０．１ｍｍである。そして、３３０ｐＦのセラミックキャパシタが、渦巻コイル５に並列に接続される。

図１４は触覚センサ１の第１貯蔵室２、第２貯蔵室３、及び流路４を示す平面図である。図１５は第１貯蔵室２、第２貯蔵室３、及び流路４を示す側面断面図である。

流路４の先端の第１貯蔵室２の形状と触覚センサ１の応答特性との間の関係を確認するために、異なるサイズの第１貯蔵室２を備える触覚センサ１を用意した。第１貯蔵室２の寸法が大きいほど、移動する液体金属６の量が多いため、触覚センサ１が高感度になると予想される。上記寸法は小さい方が空間分解能の向上には有利であり、ＳＮ比も計算して実用上の第１貯蔵室２の直径を求める。

流路４の厚みｔと触覚センサ１の応答特性との間の関係を確認するために、異なる厚みｔの流路４を備える触覚センサ１を用意した。流路４の厚みｔが大きい方が、移動する液体金属６の量が多いため、高感度になると想定される。一方、厚みｔが薄い方が触覚センサ１のアクチュエータへの埋め込みに有利となる可能性が有り、ＳＮ比も計算して実用上の流路４の厚みｔを求める。

また、触覚センサ１を曲げた際の影響を確認する。触覚センサ１をアクチュエータに埋め込んだ場合、曲げによる触覚センサ１の応答が接触力測定に影響するかを検討する。曲げても液体金属６の移動は生じるので、渦巻コイル５の誘導係数も変化するはずであり、曲げによる変化量が押込みによる変化量よりも大きければ補償する必要があると考えられる。

図１６は触覚センサ１の押込み試験の実験環境を示す図である。図１７は流路４の厚みｔ＝１ｍｍの実験試料の触覚センサ１を示す斜視図である。図１８は流路４の厚みｔ＝２ｍｍの実験試料の触覚センサ１を示す斜視図である。図１９は流路４の厚みｔ＝３ｍｍの実験試料の触覚センサ１を示す斜視図である。

第１貯蔵室２の直径が５ｍｍ、１０ｍｍ、及び１５ｍｍから選択され、流路４の厚みｔが１ｍｍ、２ｍｍ、及び３ｍｍから選択される前述した９種類の触覚センサ１に対して、渦巻コイル５の誘導係数と第１貯蔵室２に作用する垂直抗力又は曲げ応力との間の関係を調べるために、図１６に示す実験環境を用いて押込試験を実施した。

触覚センサ１は、３軸のロボットステージ１９（TTA-C3-WA-30-25-10, IAI Corp.,Japan）上に搭載される。ロボットステージ１９は、円柱状プラスチック製で直径２０ｍｍの圧子２０を保持する。

そして、触覚センサ１に作用する垂直抗力を測定するために、力トルクセンサ２１（F/T sensor; Mini 2/10-A, BL Autotech Ltd., Japan）が３軸のロボットステージ１９と圧子２０との間に挿入される。

力トルクセンサ２１の出力はアナログデジタルコンバータ２２（AI-1664LAX-USB, CONTEC Corp, Japan）を用いて取得され、触覚センサ１の渦巻コイル５の誘導係数はインダクタンスデジタルコンバータ２３（LDC1614, Texas Instruments Inc., USA）を用いて取得される。サンプリング期間は２０ｍｓに設定された。パーソナルコンピュータ２４は、アナログデジタルコンバータ２２を用いて取得された力トルクセンサ２１の出力と、インダクタンスデジタルコンバータ２３を用いて取得された渦巻コイル５の誘導係数との間の関係を解析する。

触覚センサ１は、作用する垂直抗力が２５Ｎに到達するまで０．１ｍｍ／ｓの接触速度で圧子２０により押し込まれた。この測定は、９種類の触覚センサ１のそれぞれに対して１０回繰り返された。

図２０は流路４の厚みｔ＝１ｍｍの触覚センサ１の押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。図２１は流路４の厚みｔ＝２ｍｍの触覚センサ１の押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。図２２は流路４の厚みｔ＝３ｍｍの触覚センサ１の押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。

横軸は力トルクセンサ２１を用いて測定された垂直抗力に相当する押込力を示し、縦軸は渦巻コイル５の誘導係数の初期値からの変化を示す。

図２０～図２２及び（表１）に示すように、渦巻きコイル５の誘導係数は、押込力が増大するに従って減少し、そして、いずれの厚みｔにおいても、第１貯蔵室２の直径が大きい程、誘導係数の変化が大きくなり、高ＳＮ比を示すことが分かる。

このように、触覚センサ１の感度は第１貯蔵室２の形状寸法に依存し、第１貯蔵室２の直径が大きい程感度が大きくなる。これは、対象物の第１貯蔵室２への接触に伴って移動する液体金属６の量が増えるためであると考えられる。

図２３は直径５ｍｍの第１貯蔵室２を備えた触覚センサ１の押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。図２４は直径１０ｍｍの第１貯蔵室２を備えた触覚センサ１の押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。図２５は直径１５ｍｍの第１貯蔵室２を備えた触覚センサ１の押込力と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。

図２３～図２５に示すように、第１貯蔵室２の直径が同じであれば、流路４の厚みｔ＝２ｍｍの時が、厚み１ｍｍの時、厚み３ｍｍの時よりも誘導係数の変化が大きいことが分かる。

このように、流路４の厚みｔは２ｍｍの時が、感度最大となった。流路４の厚みｔが増大する程感度が大きくなると想定していたが、想定外の結果である。流路４の厚みｔが増すと、直線状の流路４を移動する液体金属６による流路４の膨らみが大きくなって損失が発生した可能性が考えられる。

図２６は鉛直上向きへの曲げを加えた触覚センサ１の曲率と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。図２７は鉛直上向きへの曲げを加えた触覚センサ１の外観を示す画像である。図２８は水平方向への曲げを加えた触覚センサ１の曲率と誘導係数の変化との間の関係を示すグラフである。図２９は水平方向への曲げを加えた触覚センサ１の外観を示す画像である。

流路４の厚みｔ＝２ｍｍの触覚センサ１を、図２７に示すように鉛直上向きに曲げた際は、図２６に示すように、渦巻コイル５の誘導係数は、曲げられた触覚センサ１の曲率が増大するに従って減少した。

この触覚センサ１を、図２９に示すように柔軟層１２の側面が鉛直下向きになるように配置して水平方向に曲げた際は、図２８に示すように、曲げられた触覚センサ１の曲率にかかわらず、渦巻コイル５の誘導係数は、ほぼ変化しなかった。

このように、触覚センサ１は曲げ自体には大きく反応しないと判断される。水平方向に曲げた場合は、曲率と誘導係数の変化との間に明確な相関は見られない。鉛直上向きに曲げた場合は、曲率に応じて誘導係数が減少する。

以上のように本実施形態に係る触覚センサ１は、第１貯蔵室２付近に加わった外力の大きさ、又は第１貯蔵室２付近の変位自体を、渦巻きコイル５の誘導係数の変化を計測する計測回路８により取得可能な値に変換するものである。この触覚センサ１は、外力により変形が生じる流路４と柔軟層１２との中に、渦巻きコイル５及び計測回路８を埋め込む必要が無い。また、流路４は、完全に密封されており、電極等の配線や電気回路を接続する必要も無い。このため、触覚センサ１は外力に対する耐久性が高い。

さらに、渦巻きコイル５は、第２貯蔵室３に向かって積みあがるように巻かれたコイルではないため、フレキシブル基板７のような薄い柔軟シート上にも実装することができる。

そして、触覚センサ１の対象物が接触する第１貯蔵室２は、柔軟素材の柔軟層１２で形成されるので対象物の形状に馴染み、また、固形物が存在しないため、対象物を傷つける恐れが少ない。さらに、柔軟層１２が傷んだ場合であっても、渦巻きコイル５を含むコイル回路１１に何ら変更を加えることなく柔軟層１２を新しいものと交換することができる。

なお、液体金属６を封入する例を示したが、本発明はこれに限定されない。液体金属６に限らず、第１貯蔵室２への対象物の接触に応じて渦巻きコイル５の誘導係数を変化させる流動体を封入すればよい。例えば、液体金属６に限らず、導電率の高い導電性液体を封入してもよいし、強磁性を示す有機化合物が溶解した溶剤を封入してもよい。また、鉄粉を分散させたシリコンオイルを封入してもよい。さらに、対象物の接触に応じて渦巻きコイル５の誘導係数を変化させることができるのであれば、気体を封入してもよい。

流路４の内部に流動体の移動を大きく妨げることのない柔らかい薄膜状の隔壁が設けられている場合には、この隔壁の第２貯蔵室３の側にのみ上記のような流動体を注入すればよい。この隔壁の第１貯蔵室２側に注入する流動体は、対象物の接触に応じてこの隔壁を変位または変形させられるのであればどのようなものであってもよい。例えば、水やシリコンオイルなどをこの隔壁の第１貯蔵室２側に注入することが可能である。

本実施形態に係る触覚センサ１は、例えば以下の用途に適用することができる。

まず、本実施形態に係る触覚センサ１は、温度変化の激しい場所で接触を検知する用途に用いることができる。

コイル回路１１に含まれるセラミックキャパシタは、熱に弱く、熱により電気的特性が変化してしまうので、従来の接触センサは温度変化の激しい場所で接触を検知することが困難であった。これに対して、本実施形態に係る触覚センサ１は、柔軟素材である柔軟層１２と硬質素材であるコイル回路１１とが互いに離れた位置に配置されるので、柔軟層１２の第１貯蔵室２を温度変化の激しい場所に配置し、渦巻きコイル５、セラミックキャパシタを含むコイル回路１１を温度変化の激しくない場所に配置することができる。このため、触覚センサ１は、温度変化の激しい場所で接触を検知する用途に用いることが可能である。

また、ロボット用皮膚センサとして、様々な部位における要求感度や想定外力に合わせて柔軟層１２の硬度や厚みを調整して効果的に触覚センサ１を用いることができる。

例えば、ロボットの指先であれば、高い感度が必要であるものの衝撃分散性は要求されないため、柔軟層１２を薄くすればよい。大きな衝撃や負荷に耐える必要があるロボットの足裏であれば、柔軟層１２の硬度と厚みを増せばよい。高い衝撃分散性が求められるロボットの臀部には、柔軟層１２の硬度を下げ、厚みを増せば良い。

また、第１貯蔵室２の面方向の幅を変えることで、部位ごとに適した触覚センサ１の空間解像度を容易に実現し、不要なセンサチャンネル数を省くことができる。例えば、高い空間解像度が求められるロボットの指先では狭い幅の第１貯蔵室２とし、ロボットの背中や臀部では広い幅の第１貯蔵室２とすればよい。

さらに、介護ロボットやペットロボットのような人が触れ合うロボットの表面に触覚センサ１を用いる場合には、安全かつ感度の良い触覚表面とすることができる。これと同時に、柔軟層１２の硬度や厚みの分布を変えたり、柔軟層１２中に繊維や柔軟管を配置することによって、触覚センサ１のさわり心地を動物の皮膚に近づけるなどの工夫を凝らすことができる。

安全性と衛生性とが求められる、人の体や臓器に触れる医療器具の先端に設けられる接触センサとしての活用にも触覚センサ１は適している。例えば、内視鏡や腹腔鏡手術の際に、手術対象部の組織の硬さを測ったり、手術中に過度な負荷を人体に与えていないかを把握するといったことが触覚センサ１により可能になる。このような用途においては、使用した後に柔軟層１２を新品に交換するだけで衛生性が保たれる。触覚センサ１の柔軟層１２には人体を傷つける恐れのある突起物や大電流回路がないため、強く押し付けても安全である。

乱暴に扱われ得る玩具に触覚センサ１を搭載すると、玩具の柔らかい感触と安全性とを損なわずに触覚機能を玩具に追加し、エンターテインメント性や教育効果などの玩具の付加価値を高めることができる。例えば、握ることでストレスを解消するような弾力感のあるボールに触覚センサ１を搭載し、握られた強さに応じて音や光の演出を行うことで、ストレス解消効果の増加が期待できる。また、子供が遊ぶ人形の柔らかい部分にこの触覚センサ１を搭載すれば、強く握ったり乱暴に扱った際に、「痛いよ」と人形に言わせるような機能が追加できる。

マッサージチェアや操縦席シート、枕など、心地よさが必要な人との接触面に触覚センサ１を搭載することで、心地よさを損なわず、人の接触状態を検知し、より快適な状態へと誘導することが可能になる。例えば、接触状態の記録と、人の心地よさの評価とを対応付けてデータを蓄積することで、心地よくない状態になってしまっている場合に、どうすれば心地よい状態になるか（もう少し右に寄るとよい、など）を人にアドバイスする機能がマッサージチェア等に搭載できる。

筋肉トレーニング機器や美顔器などの健康器具に、接触状態を加味した動作調整機能を搭載し、効果を高める用途で触覚センサ１を使用できる。例えば、体の一部に押し当てた状態で振動したり電気刺激を与えることで筋肉トレーニング効果や美顔効果を与える機器の接触面に触覚センサ１を搭載し、強く接触している箇所とそうでない箇所で、振動や刺激の量を変えることが可能になる。

食品を扱うロボットのエンドエフェクタに取り付ける触覚センサとしても触覚センサ１は適している。触覚センサ１の柔軟層１２が柔軟であるため、柔らかい食品を傷つけにくい。触覚センサ１は柔軟層１２の洗浄や交換が容易であるため、衛生性も確保できる。触覚センサ１は柔軟層１２の素材として、調理器具にも使用されているシリコンゴムが利用できるため、安全適合性も高い。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１触覚センサ
２第１貯蔵室
３第２貯蔵室
４流路
５渦巻きコイル（コイル）
６液体金属（流動体、液体）
７フレキシブル基板
８計測回路
９柔軟薄壁
１１コイル回路
１２柔軟層（柔軟素材）

Claims

対象物の接触に応じて弾性変形可能に柔軟素材で形成された第１貯蔵室と、
前記第１貯蔵室に接触した対象物を検知するために前記第１貯蔵室から離れた位置に形成された第２貯蔵室と、
前記第１貯蔵室と前記第２貯蔵室とを連通する流路と、
前記第２貯蔵室に対向する位置に形成されたコイルと、
前記対象物の接触に応じて前記コイルの誘導係数を変化させるために、前記第１貯蔵室から前記流路及び前記第２貯蔵室に亘って封入された導電性を有する流動体とを備え、
前記第２貯蔵室が、前記コイルの誘導係数を変化させるために前記流路に対向して配置されて前記流動体の変位に応じて撓み変形可能に形成された柔軟薄壁を有することを特徴とする触覚センサ。
前記流動体が、液体を含む請求項１に記載の触覚センサ。
前記液体が、導電性を有する液体金属を含む請求項２に記載の触覚センサ。
前記流動体は、前記第１貯蔵室から前記第２貯蔵室の前記柔軟薄壁に亘って封入されており、
前記柔軟薄壁が、前記流動体を前記第２貯蔵室の外の大気から区切るように形成される請求項１に記載の触覚センサ。
前記柔軟薄壁が、前記第２貯蔵室を分割するように形成されており、
前記流動体は、前記第１貯蔵室から前記第２貯蔵室の前記柔軟薄壁に亘って封入されており、
前記第２貯蔵室が、前記柔軟薄壁の前記流路と反対側を大気と連通させる連通孔を有する請求項１に記載の触覚センサ。
前記第１貯蔵室が、前記柔軟素材に円筒状に形成され、
前記対象物が、前記円筒の端面の一方に接触する請求項１に記載の触覚センサ。
対象物の接触に応じて弾性変形可能に柔軟素材で形成された第１貯蔵室と、
前記第１貯蔵室に接触した対象物を検知するために前記第１貯蔵室から離れた位置に形成された第２貯蔵室と、
前記第１貯蔵室と前記第２貯蔵室とを連通する流路と、
前記第２貯蔵室に対向する位置に形成されたコイルと、
前記対象物の接触に応じて前記コイルの誘導係数を変化させるために、前記第１貯蔵室から前記流路及び前記第２貯蔵室に亘って封入された流動体とを備え、
前記第２貯蔵室が、前記コイルの誘導係数を変化させるために前記流路に対向して配置されて前記流動体の変位に応じて撓み変形可能に形成された柔軟薄壁を有し、
前記第２貯蔵室が、前記柔軟素材に半円筒状に形成され、
前記流路が、前記半円筒の周面に接続され、
前記柔軟薄壁が、前記半円筒の前記流路と反対側の平面に形成されることを特徴とする触覚センサ。
対象物の接触に応じて弾性変形可能に柔軟素材で形成された第１貯蔵室と、
前記第１貯蔵室に接触した対象物を検知するために前記第１貯蔵室から離れた位置に形成された第２貯蔵室と、
前記第１貯蔵室と前記第２貯蔵室とを連通する流路と、
前記第２貯蔵室に対向する位置に形成されたコイルと、
前記対象物の接触に応じて前記コイルの誘導係数を変化させるために、前記第１貯蔵室から前記流路及び前記第２貯蔵室に亘って封入された流動体とを備え、
前記第２貯蔵室が、前記コイルの誘導係数を変化させるために前記流路に対向して配置されて前記流動体の変位に応じて撓み変形可能に形成された柔軟薄壁を有し、
前記第１貯蔵室、前記第２貯蔵室、及び前記流路が前記柔軟素材で一体に形成されることを特徴とする触覚センサ。
前記コイルを形成するために前記第２貯蔵室に対向する位置に配置された基板と、
前記コイルの誘導係数の変化を計測するために前記コイルに接続された計測回路とをさらに備える請求項１に記載の触覚センサ。
前記コイルが渦巻きコイルを含み、
前記基板が、フレキシブル基板を含む請求項９に記載の触覚センサ。