JP7830846B2 - 圧電センサーおよびハンド - Google Patents

Description

本発明は、圧電センサーおよびハンドに関するものである。

特許文献１には、製造ライン等で用いられる産業用ロボットとして、感圧センサーを備えた把持装置を有するロボットが開示されている。感圧センサーは、圧力を電気信号として出力するセンサーである。

この把持装置は、開閉可能な一対の把持部と、把持部に設けられた感圧センサーと、を備える。把持部によって被把持物が把持されると、感圧センサーが被把持物と接触して変形し、感圧センサーから電圧信号が出力される。ロボットの制御装置では、この電圧信号に基づいて、把持装置の把持力を制御する。

この感圧センサーは、第１の電極および第２の電極と、これらの間に設けられ、変形によって発電する圧電体としての中間層と、を有する。各電極と中間層との間では、静電容量の変化が生じて発電がなされる。この発電の量や発電の有無を検出することで、感圧センサーが機能する。

特開２０１８－７２０２４号公報

特許文献１に記載の感圧センサーでは、中間層が変形すれば発電されるが、発電されるためには、第１の電極と第２の電極とを結ぶ方向に沿って加圧される必要がある。このため、この感圧センサーでは、例えば、把持部が被把持物を把持するときに受ける把持力を検出することができる。

しかしながら、把持部に対して被把持物が滑ったとしても、この把持力はほとんど変化しない。このため、特許文献１に記載の感圧センサーでは、把持部に対して被把持物が滑ったことを検出することは困難である。

本発明の適用例に係る圧電センサーは、
弾性体と、
前記弾性体と接する位置に配置され、前記弾性体の変形に伴って変形したときに電圧信号を出力する圧電素子と、
前記圧電素子から出力される前記電圧信号を検出する検出部と、
を備え、
前記弾性体が対象物に接触した後、前記対象物に対して前記弾性体が相対的に移動するとき、前記検出部は、前記対象物の相対的移動による前記電圧信号の変化に基づいて、前記対象物と前記弾性体との間に発生する動摩擦力を検出することを特徴とする。

本発明の適用例に係るハンドは、
本発明の適用例に係る圧電センサーを備えることを特徴とする。

実施形態に係るハンドを示す図である。 図１の指部の先端を拡大して示す斜視図であって、第１実施形態に係る圧電センサーを分解して示す斜視図である。 図２に示す圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。 圧電素子に発生した電圧を増幅する出力回路の一例である。 図３に示す圧電センサーに様々な方向から力が加わったとき、弾性体の変形モードを説明するための図である。 図５に示す変形モードで弾性体が変形したとき、図３に示す圧電素子から出力される電圧信号の波形（出力波形）の一例を示す図である。 対象物と弾性体との間で滑りが発生したとき、圧電素子からの出力波形の一例を示す図である。 図７に示す３つの出力波形のうち、１つを取り出した図である。 凹凸を有する床面に沿って圧電センサーを移動させたとき、圧電素子からの出力波形の一例を示す図である。 第２実施形態に係る圧電センサーを示す側面図である。 図１０に示す圧電センサーに様々な方向から力が加わったとき、弾性体の変形モードを説明するための図である。 第３実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。 図５に示す変形モードで弾性体が変形したとき、図１２に示す圧電素子から出力される電圧信号の波形（出力波形）の一例を示す図である。 第４実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。 図１４に示す圧電センサーに様々な方向から力が加わったとき、弾性体の変形モードを説明するための図である。 第５実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。 第６実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。 第７実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。 図１８に示す圧電センサーに様々な方向から力が加わったとき、弾性体の変形モードを説明するための図である。 図１９に示す変形モードで弾性体が変形したとき、図１８に示す圧電素子から出力される電圧信号の波形（出力波形）の一例を示す図である。 第８実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。 図１９に示す変形モードで弾性体が変形したとき、図２１に示す圧電素子から出力される電圧信号の波形（出力波形）の一例を示す図である。 第９実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。 第１０実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、本発明の圧電センサーおよびハンドの好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
１．ハンド
まず、実施形態に係るハンドについて説明する。

図１は、実施形態に係るハンドを示す図である。なお、図１では、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定している。各軸を矢印で表し、先端側を「プラス」、基端側を「マイナス」とする。以下の説明で、例えば「Ｘ軸方向」とは、Ｘ軸のプラス方向およびマイナス方向の双方を含む。また、以下の説明では、Ｚ軸プラス側を「上」、Ｚ軸マイナス側を「下」として説明することがある。

図１に示すハンド１０は、一対の指部１４、１５を備えている。指部１４と指部１５との距離を変えることにより、対象物Ｗを両側から挟み込んで把持したり、把持した対象物Ｗを離したりすることができる。

ハンド１０は、ベース１１と、ベース１１に対してスライドする一対のスライダー１２、１３と、スライダー１２、１３に固定された指部１４、１５と、スライダー１２、１３をスライドさせるモーター１６、１７と、圧電センサー１と、を備える。ハンドの構成は、これに限定されない。

スライダー１２、１３は、それぞれ、ベース１１に対してＸ軸方向にスライド可能となっている。また、スライダー１２にはモーター１６が接続されており、モーター１６の駆動によってスライダー１２がスライドする。同様に、スライダー１３にはモーター１７が接続されており、モーター１７の駆動によってスライダー１３がスライドする。

モーター１６、１７の回転方向を選択することによって、スライダー１２、１３を互いに逆方向に移動させれば、指部１４、１５を互いに接近させたり、互いに離間させたりすることができる。これにより、指部１４、１５で対象物Ｗを把持したり、把持した対象物Ｗを離したりすることができる。なお、ハンド１０は、指部１４、１５のうちのいずれか一方を移動させ、他方を固定した構成であってもよい。

指部１４、１５には、それぞれ圧電センサー１が設けられている。圧電センサー１は、指部１４、１５のうち、互いに向き合う面、すなわち把持面１４１、１５１に設けられている。把持面１４１と把持面１５１との間で対象物Ｗを挟むときには、把持面１４１、１５１と対象物Ｗとの間に圧電センサー１が介在する。このため、各圧電センサー１では、対象物Ｗから反力を受け、その反力に応じた電圧を出力する。これにより、ハンド１０は、圧電センサー１からの出力電圧に基づき、対象物Ｗの把持の状態を検出する機能を有する。なお、圧電センサー１は、指部１４、１５のうちの一方のみに設けられていてもよい。

以上、ハンド１０について説明したが、圧電センサー１は、ハンド１０以外の様々なデバイス、例えば、触覚センサー、ゲーム用コントローラー、遠隔操作用コントローラー、ＭＲ（複合現実）コントローラー、柔軟性を有するユーザーインターフェース、各種ＯＮ／ＯＦＦセンサー等に用いられてもよい。

２．第１実施形態に係る圧電センサー
次に、第１実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図２は、図１の指部１４の先端を拡大して示す斜視図であって、第１実施形態に係る圧電センサー１を分解して示す斜視図である。図３は、図２に示す圧電センサー１をＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

図２および図３に示す圧電センサー１は、指部１４の把持面１４１に取り付けられている。圧電センサー１は、弾性体２と、規制部３と、圧電素子４１と、検出部４９４を有する出力回路４９と、を備える。

弾性体２は、弾性を有し、把持面１４１に接するように設けられている。なお、弾性体２と把持面１４１との間には、任意の物体が介在していてもよい。弾性とは、力が加えられたときには、力に応じて変形し、力が除かれると元の形状に戻る性質のことをいう。したがって、弾性体２に力が加わると、弾性体２が変形し、弾性体２の各部に力が伝搬する。

図２および図３に示す弾性体２は、Ｙ－Ｚ面に広がる板状をなしており、６つの面を有する。６つの面のうち、Ｙ軸と交差する２つの面を第１面２０１および第２面２０２とし、Ｘ軸と交差する２つの面を第３面２０３および第４面２０４とし、Ｚ軸と交差する２つの面を第５面２０５および第６面２０６とする。

第３面２０３および第４面２０４は、弾性体２において、互いに表裏の関係を有する２つの主面である。第３面２０３は、対象物Ｗに臨む面であり、第４面２０４は、把持面１４１に固定されている。図３に示す第３面２０３および第４面２０４は、それぞれ矩形状をなしている。また、図２に示す弾性体２では、第３面２０３の中央部が凸曲面２０７になっている。これにより、第３面２０３が対象物Ｗに接するとき、凸曲面２０７が優先的に接することができる。その結果、弾性体２に力が加えられたとき、第３面２０３の中央部から周縁部に向かって力を伝搬させることができる。

弾性体２の構成材料としては、例えば、ゴム、エラストマー、発泡樹脂等が挙げられる。このうち、ゴムとしては、例えば、ポリイソブチレン、ポリイソプレン、クロロプレンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブタジエンゴム、アクリルニトリルブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム等が挙げられる。

図２および図３に示す規制部３は、把持面１４１に設けられ、弾性体２を囲む枠状をなしている。規制部３の内側面は、弾性体２の外側面に接している。つまり、弾性体２の第３面２０３を平面視したとき、弾性体２は、規制部３の内側に収まっている。なお、規制部３と弾性体２との間には、多少の隙間があってもよい。また、規制部３と把持面１４１との間には、任意の物体が介在していてもよい。

規制部３は、Ｚ軸に沿って延在する２つの第１壁部３１、３２と、Ｙ軸に沿って延在する２つの第２壁部３３、３４と、を有する。

第１壁部３１、３２は、それぞれの厚さｔ１が第２壁部３３、３４の厚さｔ２よりも厚くなっている。これにより、第１壁部３１、３２は、第２壁部３３、３４と比べて曲げ剛性が高くなる。その結果、第１壁部３１、３２は、弾性体２に押されても、変形しにくくなる。つまり、第１壁部３１および第１壁部３２は、自然状態にある弾性体２の第１面２０１および第２面２０２に臨んでいる。具体的には、第１壁部３１および第１壁部３２は、弾性体２の第１面２０１および第２面２０２に接するか、わずかな隙間を介して隣り合っている。このため、弾性体２が力を受けてＹ軸方向に変形しようとするとき、その変形を規制する。なお、第１壁部３１、３２の厚さとは、Ｙ軸方向における長さのことをいう。

第２壁部３３、３４は、それぞれの厚さが第１壁部３１、３２よりも薄くなっている。これにより、第２壁部３３、３４は、第１壁部３１、３２と比べて曲げ剛性が低くなる。その結果、第２壁部３３、３４は、弾性体２に押されたとき、変形しやすくなる。つまり、第２壁部３３、３４は、自然状態にある弾性体２に接するか、わずかな隙間を介して隣り合っている。このため、弾性体２が力を受けてＺ軸方向に変形しようとするとき、第２壁部３３、３４も、弾性体２の変形に伴い、Ｚ軸に沿って変位する。つまり、第２壁部３３、３４には、Ｚ軸方向への曲げ変形が生じる。このとき、第２壁部３３、３４のＹ軸方向における両端は、第１壁部３１、３２に接続されているため、ほとんど変位しない。なお、第２壁部３３、３４の厚さとは、Ｚ軸方向における長さのことをいう。

規制部３の構成材料は、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料、金属材料等が挙げられる。

第１壁部３１、３２の厚さは、構成材料に応じて適宜設定されるが、一例として、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であるのが好ましく、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるのがより好ましい。これにより、第１壁部３１、３２は、十分な曲げ剛性を有し、弾性体２に力が加わっても特に変形しにくくなる。

第２壁部３３、３４の厚さも、構成材料に応じて適宜設定されるが、一例として、第１壁部３１、３２の厚さの６０％以下であるのが好ましく、５％以上４０％以下であるのがより好ましい。これにより、第２壁部３３、３４は、十分な可撓性を有し、弾性体２に力が加わると、それに伴って容易に変形する。このため、圧電素子４１にも変形を伝えやすくなり、圧電センサー１の感度を高めることができる。

圧電素子４１は、図示しないが、圧電体と、圧電体を介して設けられた一対の電極と、を備える。圧電体は、例えば曲げ変形するとき、圧電効果によって電極間に電圧を発生させる。圧電素子４１から出力される電圧を検出することにより、受けた力の向きや大きさを特定する。

図２に示す圧電素子４１は、弾性体２の第５面２０５と第２壁部３３との間に設けられている。そして、弾性体２の変形に伴って第２壁部３３に曲げ変形が生じるとき、圧電素子４１にも同様に曲げ変形が生じる。このように圧電素子４１の一部が第２壁部３３に固定されていることで、曲げ変形に伴って圧電素子４１に損傷が生じるのを抑制することができる。つまり、第２壁部３３が圧電素子４１を補強することにより、圧電素子４１に曲げ変形が短い周期で繰り返し生じても、圧電素子４１の圧電性が低下しにくくなる。また、除荷したときには、圧電素子４１が元の形状に戻りやすくなる。すなわち、弾性体２の変形に対する圧電素子４１の追従性が向上する。これにより、力の検出精度が低下するのを抑制することができる。

圧電体を構成する圧電材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛等の圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸等の圧電プラスチック等が挙げられる。

なお、圧電体は、圧電材料が持つ圧電定数に応じて、圧電効果に異方性がある。本実施形態では、Ｚ軸方向に生じる曲げ変形に応じて、電極間に電圧が生じるように、圧電材料が選択されている。これにより、弾性体２が受けた力の向きや大きさを、圧電素子４１からの出力に応じて特定することができる。このような圧電性を示す圧電定数としては、例えばｄ_３１等が挙げられる。

電極の構成材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ等の単体または合金等が挙げられる。

図４は、圧電素子４１に発生した電圧を増幅する出力回路の一例である。
図４に示す出力回路４９は、アンプ４９１と、電源４９２と、電源４９３と、検出部４９４と、を備える。圧電素子４１は、アンプ４９１の反転入力端子と非反転入力端子との間に接続される。電源４９２は、非反転入力端子に接続される。電源４９３は、アンプ４９１の電源端子に接続される。検出部４９４は、アンプ４９１の出力端子に接続される。

このような出力回路４９では、圧電素子４１で発生した電圧を増幅し、振幅の大きい電圧信号として出力する。なお、図４に示すように、電源４９２がアンプ４９１の入力端子に接続されている場合、電源４９２によって入力信号がオフセットされる。このため、検出部４９４には、オフセットされた電圧、すなわち、基準電圧から増減する電圧信号が出力されることになる。なお、電源４９２は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。

検出部４９４は、基準電圧から増減する電圧信号の時間変化を検出する機能、電圧値に基づいて対象物Ｗと圧電センサー１との間の滑りの有無を判断する機能等を有する。図２および図４に示す検出部４９４は、一例として、計測部４９５と、演算部４９６と、判断部４９７と、を有する。計測部４９５は、アンプ４９１から出力された電圧信号の振幅を計測する。演算部４９６は、基準電圧に対する電圧信号の振幅の増減値を算出する。判断部４９７は、演算部４９６の演算結果、例えばあらかじめ設定しておいた許容範囲と演算結果との比較を行い、その結果を出力する。

検出部４９４の少なくとも一部は、プロセッサー、メモリー、外部インターフェース等を備えるハードウェアによって構成される。プロセッサーとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が挙げられる。メモリーに格納されているプログラムをプロセッサーが読み出して実行することにより、検出部４９４の機能を実現する。なお、ハードウェア構成は、これに限定されず、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等を備える構成であってもよい。

また、圧電センサー１が備える出力回路の回路構成は、図４に示す回路構成に限定されず、例えばチャージアンプを含む回路であってもよい。

図５は、図３に示す圧電センサー１に様々な方向から力が加わったとき、弾性体２の変形モードを説明するための図である。図６は、図５に示す変形モードで弾性体２が変形したとき、図３に示す圧電素子４１から出力される電圧信号の波形（出力波形）の一例を示す図である。なお、図６に示す例では、基準電圧に対する相対的な電位の波形を示している。

圧電センサー１に力が加わっていないときには、弾性体２は自然状態を維持するため、図５の左上図に示すように、圧電素子４１は変形しない。このため、理論的には、圧電素子４１には電圧が発生しない。

圧電センサー１に下方向の力が加わると、弾性体２の第３面２０３には、図５の右上図に矢印で示すように下方向に引っ張る力が加わる。そうすると、弾性体２は、下方向に引きずられるように変形し、それに伴って圧電素子４１には、下方向への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４１からは、図６に示すように、例えば基準電圧に対して負の電圧信号が出力される。つまり、基準電圧から減少する電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１に下方向の力が加わっていることを特定することができる。なお、基準電位に対する電圧信号の出力方向は、圧電素子の分極方向や回路構成により決まるため、電圧信号の出力方向は前記の逆となってもよい。その場合、以降の出力も逆の結果となる。

なお、ハンド１０で対象物Ｗを把持したまま、ハンド１０を動かして対象物Ｗを空中に保持した場合、対象物Ｗの重量によって、圧電センサー１にはこのような下方向の力が加わる。このため、圧電素子４１からの出力波形に基づいて、ハンド１０が対象物Ｗを持ち上げている状態を特定することが可能である。

圧電センサー１に上方向の力が加わると、弾性体２の第３面２０３には、図５の左下図に矢印で示すように上方向に引っ張る力が加わる。そうすると、弾性体２は、上方向に引きずられるように変形し、それに伴って圧電素子４１には、上方向への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４１からは、図６に示すように、例えば基準電圧に対して正の電圧信号が出力される。つまり、基準電圧から増加する電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１に上方向の力が加わっていることを特定することができる。

なお、ハンド１０で対象物Ｗを把持したまま、ハンド１０を動かして対象物Ｗの下面を物体に押し付けた場合、圧電センサー１にはこのような上方向の力が加わる。このため、圧電素子４１からの出力波形に基づいて、ハンド１０が対象物Ｗを物体に押し付けている状態を特定することが可能である。

圧電センサー１に押付方向の力、すなわち、図５に示す弾性体２をＸ軸プラス側からＸ軸マイナス側の方向に押す力が加わると、弾性体２の第３面２０３には、図５の右下図に矢印で示すように上下方向に伸びる変形が生じる。そうすると、弾性体２は、上下方向に伸びるため、それに伴って圧電素子４１には、上方向への曲げ変形が生じる。ただし、曲げ変形の変形量は、前述した上方向の力を加えた場合に比べて小さくなる。このため、圧電素子４１からは、図６に示すように、例えば基準電圧に対して電圧値が相対的に小さい正の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１に押付方向の力が加わっていることを特定することができる。

なお、ハンド１０で対象物Ｗを把持すると、対象物Ｗからの反力が圧電センサー１を把持面１４１に押し付ける。このため、圧電素子４１からの出力波形に基づいて、ハンド１０が対象物Ｗを把持している状態を特定することが可能である。

以上、変形モードの例について説明したが、上方向や下方向という変形方向は、これ以外の方向であってもよい。

ここで、ハンド１０が把持している対象物Ｗを例えば床面に強く押し付けた場合を想定する。この場合、図５に示す上向きの矢印は、ハンド１０が対象物Ｗを床面に押し付けたとき、床面から対象物Ｗに加わる反力の向きに相当する。この反力が、弾性体２を変形させる変形力となる。弾性体２の変形に伴い、圧電素子４１には曲げ変形が生じるため、曲げ変形の向きや大きさ（曲げ半径）を検出することができる。

一方、対象物Ｗと弾性体２との間には摩擦力が発生する。変形力と摩擦力とが釣り合っている場合、対象物Ｗとハンド１０との位置関係は維持される。この場合、対象物Ｗと圧電センサー１との間で滑りは発生しない。

その後、ハンド１０全体を下方向に動かすと、対象物Ｗを床面に押し付ける力が徐々に増大する。そして、摩擦力を変形力が上回ると、対象物Ｗと弾性体２との間で滑りが発生する。滑りが発生する直前の摩擦力を「静止摩擦力」とする。滑りが発生する直前の摩擦力は、変形力と等しいため、静止摩擦力は、圧電素子４１により検出可能である。滑りが発生するとき、摩擦力は静止摩擦力よりも低下する。滑りが発生しているときの摩擦力を「動摩擦力」とする。動摩擦力は、静止摩擦力より小さいため、圧電素子４１から出力される電圧信号に基づいて、静止摩擦力の発生時と、動摩擦力の発生時と、を区別することができる。そして、滑りが発生しているときの摩擦力も、変形力と釣り合っているため、動摩擦力は、圧電素子４１により検出可能である。また、動摩擦力は、滑りが発生している間、検出され続けるため、圧電素子４１からの出力波形は、静止摩擦力に対応するピークと、その後に観測される、動摩擦力に対応する電圧値、とを含む波形となる。

図７は、対象物Ｗと弾性体２との間で滑りが発生したとき、圧電素子４１からの出力波形の一例を示す図である。図７の横軸は時間、縦軸は圧電素子４１からの出力電圧である。また、図７では、対象物Ｗの把持力、すなわち、圧電センサー１と対象物Ｗとの距離を３段階に変えたときの出力波形を重ねて示している。

図７に示す出力波形は、有意な電圧値が観測された直後に現れるピークＰと、その後に観測される、ピークＰより低い電圧値が続く領域Ｂと、を含む。

ピークＰは、静止摩擦力が発生しているとき、圧電素子４１に発生した曲げ変形に対応している。また、領域Ｂは、動摩擦力が発生しているとき、圧電素子４１に発生した曲げ変形に対応している。前述したように、動摩擦力は、静止摩擦力より小さいため、領域ＢはピークＰより低い。このため、ピークＰの検出後、領域Ｂを検出した場合、対象物Ｗと弾性体２との間で滑りが発生したと判断することができる。つまり、圧電センサー１は、ピークＰおよび領域Ｂの存在に基づいて、領域Ｂに対応する動摩擦力を検出し、それに基づいて滑りの有無を検出することができる。

図８は、図７に示す３つの出力波形のうち、１つを取り出した図である。検出部４９４が備える判断部４９７は、滑りの有無を判断するとき、まず、ピークＰを検出する。ピークＰは、極大値をとるため、例えば極大値の有無によって特定可能である。次に、判断部４９７は、ピークＰの高さに基づいて許容範囲ＴＬを設定する。許容範囲ＴＬは、例えば、ピークＰの高さの２０％以上１００％未満の範囲とするのが好ましく、４０％以上１００％未満の範囲とするのがより好ましい。次に、判断部４９７は、領域Ｂがこの許容範囲ＴＬに連続して収まっている時間ＴＭに基づいて、滑りの有無を判断することができる。時間ＴＭは、対象物Ｗの種類や弾性体２の大きさ、ノイズの程度等に応じて適宜設定されるが、一例として、０．１秒以上であるのが好ましく、０．５秒以上であるのがより好ましい。なお、判断のプロセスは、これに限定されない。

以上のようにして滑りの有無を検出することができる。これにより、ハンド１０が把持している対象物Ｗを例えば床面に押し付ける動作を行うとき、ハンド１０から対象物Ｗが脱落する前兆を、圧電センサー１を介して捉えることができる。その結果、対象物Ｗが脱落する前にハンド１０の動作を変更することができる。つまり、対象物Ｗの脱落を防止する回避動作をハンド１０にとらせることができる。

なお、上記のような滑りの有無の検出は、対象物Ｗの把持力によらない。図７では、前述したように、把持力の大きさを３段階に変えたときの出力波形を示しているが、把持力を変えても、各出力波形には、ピークＰと領域Ｂとが認められる。

また、上記のような滑りの有無の検出は、対象物Ｗと弾性体２との間が滑るときの相対速度にもよらない。図示しないが、相対速度が変わっても、圧電素子４１からの出力波形には、ピークＰと領域Ｂとが認められる。

また、対象物Ｗは、図１に示す把持可能な物体に限定されない。例えば、圧電センサー１を対象物としての床面に直接接触させ、床面に沿って移動させるときにも、図７に示すような出力波形を得ることができる。この場合、床面と弾性体２との間に発生する静止摩擦力および動摩擦力を検出することができ、それに基づいて滑りの有無を検出することができる。さらに、床面に凹凸がある場合、出力波形には凹凸に伴う変化が生じる。

図９は、凹凸を有する床面に沿って圧電センサー１を移動させたとき、圧電素子４１からの出力波形の一例を示す図である。図９の横軸は時間、縦軸は圧電素子４１からの出力電圧である。また、図９では、床面と圧電センサー１との距離、すなわち、圧電センサー１が床面から受ける力を２段階に変えたときの出力波形を重ねて示している。

図９に示す出力波形も、ピークＰと、ピークＰよりも低い電圧値が続く領域Ｂと、を含む。したがって、図９に示す出力波形に基づくことで、把持されない床面等の物体についても、圧電センサー１との間の滑りの有無を検出することができる。

また、図９に示す出力波形は、床面が有する凹凸を反映している。図９に示す変化点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、それぞれ２本の出力波形に共通して認められる。この変化点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が観測された時刻は、床面が有する凹凸を圧電センサー１が通過した時刻に当たる。よって、圧電センサー１は、滑りの有無だけでなく、対象物Ｗの表面に存在する凹凸のような形状変化も捉えることができる。つまり、圧電センサー１は、凹凸を通過するときの動摩擦力の変化に基づいて、凹凸を間接的に捉えることを可能にする。

以上のように、本実施形態に係る圧電センサー１は、弾性体２と、圧電素子４１と、検出部４９４と、を備える。圧電素子４１は、弾性体２と接する位置に配置され、弾性体２の変形に伴って変形したときに電圧信号を出力する。圧電素子４１の変形とは、弾性体２が変形していないときの圧電素子４１の形状から変化することをいう。そして、弾性体２が対象物Ｗに接触した後、対象物Ｗに対して弾性体２が相対的に移動するとき、検出部４９４は、対象物Ｗの相対的移動による電圧信号の変化に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に発生する動摩擦力を検出する。

このような圧電センサー１によれば、対象物Ｗと弾性体２との間に発生する動摩擦力を検出することができる。具体的には、弾性体２が対象物Ｗに追従して変形するとき、圧電素子４１によって変形量の変化を捉えることができるので、静止摩擦力と動摩擦力を区別して検出することができる。これにより、動摩擦力の検出が可能になり、静止摩擦力との比較に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に発生する滑りの有無を検出することができる。その結果、例えば対象物Ｗを安定して把持しているか否かを容易に特定可能なハンド１０を実現することができる。

また、弾性体２を介して圧電素子４１に力を伝えていることから、衝撃が圧電素子４１に直接加わるのを抑制することができる。これにより、圧電素子４１に損傷しにくくなる。

そして、前述した実施形態に係るハンド１０は、上記のような圧電センサー１を備える。

圧電センサー１を図１に示すようなハンド１０に用いた場合、例えば、対象物Ｗを把持していることだけでなく、把持した対象物Ｗと弾性体２との間に発生する滑りの有無を検出可能なハンド１０を実現することができる。また、上記の圧電センサー１を備えるハンド１０では、対象物Ｗを把持していることに加え、例えば、対象物Ｗを持ち上げている状態や対象物Ｗを物体に押し付けている状態を特定することも可能になる。さらに、圧電センサー１は、弾性体２を対象物Ｗに接触させる構造になっている。これにより、対象物Ｗに圧電センサー１が接触しても大きな衝撃が発生しにくいため、対象物Ｗの剛性が低い場合でも、対象物Ｗを破壊することなく、ハンド１０で対象物Ｗを把持することができる。また、衝撃に伴う圧電素子４１の破損を抑制することができる。なお、ハンド１０は、後述する各実施形態に係る圧電センサーを備えていてもよい。

また、本実施形態に係る圧電センサー１では、弾性体２が対象物Ｗに接触したとき、検出部４９４は、圧電素子４１から出力される電圧信号に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に発生する静止摩擦力を検出する。

このような圧電センサー１によれば、弾性体２の弾性を利用して、対象物Ｗと弾性体２との間で途切れにくい静止摩擦力を効果的に発生させることができる。このため、対象物Ｗの表面状態によらず、圧電素子４１から出力される電圧信号に基づいて静止摩擦力を安定的に検出することができる。

また、本実施形態に係る圧電センサー１では、弾性体２が、前述したように第１面２０１を有する。また、圧電センサー１は、弾性体２の第１面２０１に臨む位置に配置され、弾性体２の変形を規制する規制部３と、を備える。そして、圧電素子４１は、規制部３に一部が固定されている。

このような構成によれば、弾性体２に対して複数の異なる方向、例えば上方向、下方向および押付方向から力が印加されたとき、力の印加方向を検出することができる。これにより、この圧電センサー１を備えるハンド１０では、対象物Ｗを把持していることに加え、例えば、対象物Ｗを持ち上げている状態や対象物Ｗを物体に押し付けている状態を特定することができる。このため、これらの異なる状態に応じて、ハンド１０を適切に作動させることができ、利便性を高めることができる。

また、本実施形態に係る圧電センサー１では、弾性体２が、第１面２０１と対向する第２面２０２を有する。そして、規制部３は、２つの第１壁部３１、３２と、２つの第２壁部３３、３４と、を備える。２つの第１壁部３１、３２は、第１面２０１に臨む位置および第２面２０２に臨む位置に配置される。２つの第２壁部３３、３４は、第１壁部３１と第１壁部３２とを接続し、第１壁部３１、３２よりも厚さが薄い。そして、圧電素子４１は、第２壁部３３に固定されている。

このような構成によれば、圧電素子４１が第２壁部３３に固定されているので、圧電素子４１の耐久性が高くなり、かつ、弾性体２の変形に対する圧電素子４１の追従性が向上する。

また、弾性体２は、矩形状をなす第３面２０３を有する。そして、弾性体２は、この第３面２０３を主面とする板状をなしている。

このような構成によれば、相対的に広い第３面２０３が対象物Ｗに臨むため、対象物Ｗと弾性体２との接触面積を広く確保することができる。これにより、弾性体２に大きな力を加えることができ、圧電素子４１に臨む第５面２０５の変位量が大きくなる。その結果、圧電センサー１の感度をより高めることができる。

なお、第３面２０３の形状は、矩形に限定されず、その他の形状、例えば、正方形、多角形等であってもよい。また、角が丸められたり、面取りされたりした形状であってもよい。

また、弾性体２は、図２に示すように、対象物Ｗに接触する接触面として凸曲面２０７を有する。凸曲面２０７は、圧電素子４１から離れた位置に設けられている。

このような構成によれば、凸曲面２０７が対象物Ｗと接触したとしても、圧電素子４１と対象物Ｗとの接触を避けることができる。これにより、圧電素子４１に損傷が生じるのを防止することができる。また、弾性体２は、弾性を有しているため、凸曲面２０７から離れた位置に圧電素子４１を配置しても、弾性体２と対象物Ｗとの間に生じる摩擦力が圧電素子４１の変形に良好に変換される。このため、圧電素子４１において、摩擦力を効率よく検出することができる。その結果、感度が良好な圧電センサー１が実現される。

なお、弾性体２は、凸曲面２０７に代えて、任意の形状の凸面を有していてもよいが、凸曲面２０７であれば、様々な方向から加わる力を良好に検出する圧電センサー１を容易に実現する。

３．第２実施形態に係る圧電センサー
次に、第２実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図１０は、第２実施形態に係る圧電センサーを示す側面図である。なお、図１０では、互いに直交する３つの軸としてｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を設定している。各軸を矢印で表し、先端側を「プラス」、基端側を「マイナス」とする。以下の説明で、例えば「ｘ軸方向」とは、ｘ軸のプラス方向およびマイナス方向の双方を含む。また、以下の説明では、ｚ軸プラス側を「上」、ｚ軸マイナス側を「下」、ｙ軸プラス側を「右」、ｙ軸マイナス側を「左」、として説明することがある。

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第２実施形態に係る圧電センサー１ａは、弾性体２の形状、および、圧電素子４１の配置が異なるとともに、規制部３に代えて保持部６を備える以外、第１実施形態に係る圧電センサー１と同様である。

図１０に示す圧電センサー１ａは、弾性体２と、圧電素子４１と、保持部６と、を備える。そして、図１０には図示しないものの、圧電センサー１ａも、前述した検出部４９４を有する出力回路４９を備える。

図１０に示す弾性体２は、ｘ軸と平行な軸を中心とする円筒状をなしている。弾性体２は、それ自体が材料由来の弾性を有するとともに、円筒状という形状由来の弾性も有する。このため、弾性体２は、ｙ－ｚ面内において良好な弾性を有する。

また、図１０に示す弾性体２は、円筒の外側面のうち、ｚ軸マイナス側の部分が、対象物Ｗに接触する接触面２１である。圧電センサー１ａでは、この接触面２１を対象物Ｗに接触させることで、良好に機能する。

図１０に示す保持部６は、その下部において、弾性体２の上部を保持している。保持部６の上部は、例えばハンド１０の指部１４、１５に固定される。これにより、弾性体２と対象物Ｗとの距離を目的に合わせて調整することができる。

図１０に示す圧電素子４１は、接触面２１から離れた弾性体２の外側面に配置されている。具体的には、圧電素子４１は、弾性体２の外側面のうち、保持部６と最もｙ軸プラス側の位置との間に配置されている。

このような構成によれば、弾性体２の接触面２１が対象物Ｗと接触したとしても、圧電素子４１と対象物Ｗとの接触を避けることができる。これにより、圧電素子４１に損傷が生じるのを防止することができる。また、弾性体２は、円筒状をなしているため、接触面２１から離れた位置に圧電素子４１を配置しても、弾性体２と対象物Ｗとの間に生じる摩擦力が圧電素子４１の変形に良好に変換される。このため、圧電素子４１において、摩擦力を効率よく検出することができる。その結果、感度が良好な圧電センサー１ａが実現される。

図１１は、図１０に示す圧電センサー１ａに様々な方向から力が加わったとき、弾性体２の変形モードを説明するための図である。

圧電センサー１ａに力が加わっていないときには、弾性体２は自然状態を維持する。このため、圧電素子４１は、図１１の上図に示すように、初期の形状を保つ。この状態における圧電素子４１からの出力電圧を初期状態とする。

圧電センサー１ａに上方向の力が加わると、図１１の中図に示すように、弾性体２が上下方向につぶれるように変形する。これにより、圧電素子４１の曲げ半径が小さくなり、圧電素子４１からの出力電圧が初期状態から変化するため、それに基づいて、上方向の力が加わっている状態の特定が可能になる。このような上方向の力のみが加わっている状態は、例えば、対象物Ｗと弾性体２との間に静止摩擦力が発生している状態に対応する。

弾性体２が上下方向につぶれた状態から、図１１の下図に示すように、圧電センサー１ａに左方向の力が加わると、保持部６と接触面２１とが左右方向（Ｙ軸方向）にずれるように弾性体２が変形する。これにより、圧電素子４１の曲げ半径は、圧電センサー１ａに上方向の力が加わっているときに比べて大きくなる。その結果、圧電センサー１ａに左方向の力が加わっている状態の特定が可能になる。このような左方向の力が加わっている状態は、例えば、対象物Ｗと弾性体２との間に動摩擦力が発生している状態に対応する。

以上のように、本実施形態に係る圧電センサー１ａにおいても、第１実施形態と同様にして、静止摩擦力および動摩擦力を検出することができる。したがって、圧電センサー１ａにおいても、静止摩擦力および動摩擦力に対応した、図７ないし図９と同様の出力波形を得ることができる。よって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、自然状態にある弾性体２の外径ｄは、特に限定されないが、１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であるのが好ましく、２０ｍｍ以上８０ｍｍ以下であるのがより好ましい。

また、弾性体２の厚さｔ３は、特に限定されないが、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるのが好ましく、２ｍｍ以上８ｍｍ以下であるのがより好ましい。

４．第３実施形態に係る圧電センサー
次に、第３実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図１２は、第３実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第３実施形態に係る圧電センサー１Ａは、圧電素子４１に加え、圧電素子４２を備える以外、第１実施形態に係る圧電センサー１と同様である。

圧電素子４２は、図１２に示すように、弾性体２と第２壁部３４との間に設けられている。そして、弾性体２の変形に伴って第２壁部３４に曲げ変形が生じるとき、圧電素子４２にも同様に曲げ変形が生じる。圧電素子４２の構成は、圧電素子４１と同様である。

なお、圧電素子４２の曲げ変形の方向と圧電素子４２からの出力波形との関係は、圧電素子４１の曲げ変形の方向と圧電素子４１からの出力波形との関係と同じであってもよいが、逆であるのが好ましい。つまり、圧電素子４２を圧電素子４１と同じ方向に曲げたとき、出力される電圧信号の符号は異なっているのが好ましい。これにより、２つの圧電素子４１、４２からの出力波形に基づいて、弾性体２に加わる力の方向をより正確に特定することができる。その結果、対象物Ｗと弾性体２との間で滑りが発生しているとき、弾性体２に対して対象物Ｗが上方向に滑っているのか、または、下方向に滑っているのか、より正確に特定することができる。

図１３は、図５に示す変形モードで弾性体２が変形したとき、図１２に示す圧電素子４１、４２から出力される電圧信号の波形（出力波形）の一例を示す図である。なお、図１３に示す出力波形は、圧電素子４１、４２を互いに同じ方向に曲げたとき、互いに異なる符号の電圧信号が出力されるように設定された場合の波形である。また、図１３に示す例では、基準電圧に対する相対的な電位の波形を示している。

圧電センサー１Ａに下方向の力が加わると、圧電素子４１、４２には、それぞれ下方向への曲げ変形が生じる。このため、圧電素子４１、４２からは互いに異なる符号の電圧信号が出力される。例えば、図１３に示す例では、圧電素子４１から出力される電圧信号の符号が基準電圧に対して負であり、圧電素子４２から出力される電圧信号の符号が基準電圧に対して正であること、に基づいて、圧電センサー１Ａに下方向の力が加わっていることを特定することができる。そして、このような下方向の力が加わっている状態に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に生じる静止摩擦力および動摩擦力を検出することができる。なお、基準電位に対する電圧信号の方向は、圧電素子の分極方向や回路構成により決まるため、出力方向は前記の逆となってもよい。その場合、以降の出力も逆の結果となる。

圧電センサー１Ａに上方向の力が加わると、圧電素子４１、４２には、それぞれ上方向への曲げ変形が生じる。このため、圧電素子４１、４２からは互いに異なる符号の電圧信号が出力される。例えば、図１３に示す例では、圧電素子４１から出力される電圧信号の符号が基準電圧に対して正であり、圧電素子４２から出力される電圧信号の符号が基準電圧に対して負であること、に基づいて、圧電センサー１Ａに上方向の力が加わっていることを特定することができる。そして、このような上方向の力が加わっている状態に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に生じる静止摩擦力および動摩擦力を検出することができる。

圧電センサー１Ａに押付方向の力、すなわち、図１２に示す弾性体２をＸ軸プラス側からＸ軸マイナス側の方向に押す力が加わると、圧電素子４１には上方向への曲げ変形が生じ、圧電素子４２には下方向への曲げ変形が生じる。このため、圧電素子４１、４２からは互いに同じ符号の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１Ａに押付方向の力が加わっていることを特定することができる。
このような第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

以上のように、圧電センサー１Ａの弾性体２は、第３面２０３を平面視したとき、互いに対向する２つの辺に対応する２つの対向面として、第５面２０５および第６面２０６を有する。そして、圧電素子４１および圧電素子４２は、第５面２０５および第６面２０６に臨む位置に配置される。

このような構成によれば、例えば、同じ方向に曲げたときに出力される電圧信号の符号を圧電素子４１、４２同士で異ならせることにより、圧電素子４１、４２から出力される電圧信号を、一方が基準電圧から増加する信号とし、他方が基準電圧から減少する信号とすることができる。これにより、圧電素子４１、４２から出力される電圧信号の波形の差がより明確となる。その結果、例えば電圧信号にノイズが入った場合でも、弾性体２に加わる力の向きを容易に特定することができる。

５．第４実施形態に係る圧電センサー
次に、第４実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図１４は、第４実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、第４実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

本実施形態に係る圧電センサー１Ｂでは、弾性体２が、第１面２０１と対向する第２面２０２を有する。また、規制部３は、２つの第１壁部３１、３２を備える。第１壁部３１は、弾性体２の第１面２０１に臨む位置に配置され、第１壁部３２は、弾性体２の第２面２０２に臨む位置に配置される。

つまり、前述した第１実施形態では、規制部３が、２つの第１壁部３１、３２と、２つの第２壁部３３、３４と、を有している。これに対し、本実施形態では、第２壁部３３、３４が省略されている。その結果、本実施形態では、図１４に示すように、規制部３が２つの第１壁部３１、３２のみで構成されている。

また、前述した第１実施形態では、圧電素子４１が第２壁部３３に固定されているのに対し、本実施形態では、圧電素子４１が第１壁部３１、３２を繋ぐように固定されている。具体的には、圧電素子４１は、弾性体２の第５面２０５に臨む位置に配置されているとともに、圧電素子４１のＹ軸プラス側の端部は、第１壁部３１に固定され、圧電素子４１のＹ軸マイナス側の端部は、第１壁部３２に固定されている。

このような構成によれば、第１実施形態と同様、Ｚ軸に沿って延在する２つの第１壁部３１、３２によって弾性体２の変形が規制される。また、本実施形態では、第１実施形態が備える第２壁部３３、３４が省略されている。このため、弾性体２の第５面２０５は、第２壁部３３、３４による変形の規制を受けなくなる。その結果、圧電素子４１の変形量は、第１実施形態に比べて大きくなりやすい。

したがって、第５面２０５に臨む位置に圧電素子４１を配置することにより、圧電センサー１Ｂの感度をより高めることができる。

図１５は、図１４に示す圧電センサー１Ｂに様々な方向から力が加わったとき、弾性体２の変形モードを説明するための図である。

圧電センサー１Ｂに下方向の力が加わると、圧電素子４１には、図１５の右上図に示すように、下方向への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４１からは、図１０に示すように、例えば基準電圧に対して負の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１Ｂに下方向の力が加わっていることを特定することができる。

圧電センサー１Ｂに上方向の力が加わると、圧電素子４１には、図１５の左下図に示すように、上方向への曲げ変形が生じる。このため、圧電素子４１からは、図１０に示すように、例えば基準電圧に対して正の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１Ｂに上方向の力が加わっていることを特定することができる。

圧電センサー１Ｂに押付方向の力、すなわち、図１５に示す弾性体２をＸ軸プラス側からＸ軸マイナス側の方向に押す力が加わると、圧電素子４１には、図１５の右下図に示すように、上方向への曲げ変形が生じるが、その変形量は、前述した上方向の力を加えた場合に比べて小さくなる。このため、圧電素子４１からは、図１０に示すように、例えば基準電圧に対して電圧値が相対的に小さい正の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１Ｂに押付方向の力が加わっていることを特定することができる。
以上のような第４実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

６．第５実施形態に係る圧電センサー
次に、第５実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図１６は、第５実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、第５実施形態について説明するが、以下の説明では第３、第４実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第３、第４実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第５実施形態に係る圧電センサー１Ｃは、圧電素子４１に加え、圧電素子４２を備える以外、第４実施形態に係る圧電センサー１Ｂと同様である。

圧電素子４２は、図１６に示すように、第１壁部３１、３２を繋ぐように固定されている。具体的には、圧電素子４２は、弾性体２の第６面２０６に臨む位置に配置されているとともに、圧電素子４２のＹ軸プラス側の端部は、第１壁部３１に固定され、圧電素子４２のＹ軸マイナス側の端部は、第１壁部３２に固定されている。

このような構成によれば、第３実施形態と同様、例えば、同じ方向に曲げたときに出力される電圧信号の符号を圧電素子４１、４２同士で異ならせることにより、圧電素子４１、４２から出力される電圧信号を、一方が基準電圧から増加する信号とし、他方が基準電圧から減少する信号とすることができる。このため、両者の差が明確となり、出力信号にノイズが入った場合でも、弾性体２に加わる力の向きを容易に特定することができる。
以上のような第５実施形態においても、第１～第４実施形態と同様の効果が得られる。

７．第６実施形態に係る圧電センサー
次に、第６実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図１７は、第６実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、第６実施形態について説明するが、以下の説明では第４実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第４実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第６実施形態に係る圧電センサー１Ｄは、規制部３の形状が異なる以外、第４実施形態に係る圧電センサー１Ｂと同様である。

図１７に示す規制部３は、４つの柱状部３５１～３５４を備える。４つの柱状部３５１～３５４は、弾性体２の四隅に対応する位置に配置される。

このような構成によれば、規制部３を必要最小限の体積に抑えることができる。このため、圧電センサー１Ｄの軽量化を図ることができる。

柱状部３５１は、弾性体２の四隅のうち、Ｙ軸プラス側かつＺ軸プラス側の隅に配置され、柱状部３５２は、Ｙ軸プラス側かつＺ軸マイナス側の隅に配置されている。柱状部３５３は、弾性体２の四隅のうち、Ｙ軸マイナス側かつＺ軸プラス側の隅に配置され、柱状部３５４は、Ｙ軸マイナス側かつＺ軸マイナス側の隅に配置されている。

圧電素子４１は、図１７に示すように、柱状部３５１、３５３を繋ぐように固定されている。
以上のような第６実施形態においても、第４実施形態と同様の効果が得られる。

８．第７実施形態に係る圧電センサー
次に、第７実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図１８は、第７実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、第７実施形態について説明するが、以下の説明では、第５、第６実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第５、第６実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第７実施形態に係る圧電センサー１Ｅは、圧電素子４１に加え、圧電素子４３を備える以外、第６実施形態に係る圧電センサー１Ｄと同様である。
圧電素子４３は、柱状部３５３、３５４を繋ぐように固定されている。

すなわち、圧電センサー１Ｅは、複数の圧電素子４１、４３を備える。そして、圧電素子４１、４３は、取り付け方向が異なっているため、弾性体２の変形に伴って互いに異なる変形方向に変形する。

具体的には、前述した第５実施形態も、複数の圧電素子４１、４２を備えているが、これらの圧電素子４１、４２は、弾性体２の変形に伴って同じ変形方向に変形する。例えば、圧電素子４１、４２は、Ｚ軸と平行な検出軸を有しているため、弾性体２に下方向の力が加わったときには、圧電素子４１、４２の双方に下方向への曲げ変形が生じる。

これに対し、本実施形態に係る圧電センサー１Ｅでは、弾性体２の第５面２０５に臨む位置に圧電素子４１を配置する一方、弾性体２の第２面２０２に臨む位置に圧電素子４３を配置している。つまり、圧電素子４１は、Ｚ軸と平行な検出軸を有する一方、圧電素子４３は、Ｙ軸と平行な検出軸を有する。このため、圧電センサー１Ｅは、弾性体２のＺ軸方向における変形だけでなく、Ｙ軸方向における変形も検出可能となる。
以上のような第７実施形態においても、第５、第６実施形態と同様の効果が得られる。

図１９は、図１８に示す圧電センサー１Ｅに様々な方向から力が加わったとき、弾性体２の変形モードを説明するための図である。図２０は、図１９に示す変形モードで弾性体２が変形したとき、図１８に示す圧電素子４１、４３から出力される電圧信号の波形（出力波形）の一例を示す図である。なお、図２０に示す例では、基準電圧に対する相対的な電位の波形を示している。

圧電センサー１Ｅに下方向の力が加わると、弾性体２の第３面２０３には、図１９の右上図に矢印で示すように下方向に引っ張る力が加わる。そうすると、圧電素子４１には、下方向への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４１からは、図２０に示すように、例えば基準電圧に対して負の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１Ｅに下方向の力が加わっていることを特定することができる。そして、このような下方向の力が加わっている状態に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に生じる静止摩擦力および動摩擦力を検出することができる。一方、圧電素子４３には、ほとんど変形が生じない。したがって、圧電素子４３からは、基準電圧から増減する電圧信号がほとんど出力されない。

圧電センサー１Ｅに上方向の力が加わると、弾性体２の第３面２０３には、図１９の左中図に矢印で示すように上方向に引っ張る力が加わる。そうすると、圧電素子４１には、上方向への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４１からは、図２０に示すように、例えば基準電圧に対して正の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１Ｅに上方向の力が加わっていることを特定することができる。そして、このような上方向の力が加わっている状態に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に生じる静止摩擦力および動摩擦力を検出することができる。一方、圧電素子４３には、ほとんど変形が生じない。したがって、圧電素子４３からは、基準電圧から増減する電圧信号がほとんど出力されない。

圧電センサー１Ｅに押付方向の力、すなわち、図１９に示す弾性体２をＸ軸プラス側からＸ軸マイナス側の方向に押す力が加わると、弾性体２の第３面２０３には、図１９の右中図に矢印で示すように四方に広がる変形が生じる。そうすると、圧電素子４１には、上方向への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４１からは、図２０に示すように、例えば基準電圧に対して電圧値が相対的に小さい正の電圧信号が出力される。また、圧電素子４３には、左方向（Ｙ軸マイナス側の方向）への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４３からは、図２０に示すように、例えば基準電圧に対して電圧値が相対的に小さい正の電圧信号が出力される。これらの電圧波形により、圧電センサー１Ｅに押付方向の力が加わっていることを特定することができる。

圧電センサー１Ｅに左方向（Ｙ軸マイナス側の方向）の力が加わると、弾性体２の第３面２０３には、図１９の左下図に矢印で示すように左方向に引っ張る力が加わる。そうすると、圧電素子４３には、左方向への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４３からは、図２０に示すように、例えば基準電圧に対して正の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１Ｅに左方向の力が加わっていることを特定することができる。そして、このような左方向の力が加わっている状態に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に生じる静止摩擦力および動摩擦力を検出することができる。一方、圧電素子４１には、ほとんど変形が生じない。したがって、圧電素子４１からは、基準電圧から増減する電圧信号がほとんど出力されない。

圧電センサー１Ｅに右方向（Ｙ軸プラス側の方向）の力が加わると、弾性体２の第３面２０３には、図１９の右下図に矢印で示すように右方向に引っ張る力が加わる。そうすると、圧電素子４３には、右方向への曲げ変形が生じる。このとき、圧電素子４３からは、図２０に示すように、例えば基準電圧に対して負の電圧信号が出力される。これにより、圧電センサー１Ｅに右方向の力が加わっていることを特定することができる。そして、このような右方向の力が加わっている状態に基づいて、対象物Ｗと弾性体２との間に生じる静止摩擦力および動摩擦力を検出することができる。一方、圧電素子４１には、ほとんど変形が生じない。したがって、圧電素子４１からは、基準電圧から増減する電圧信号がほとんど出力されない。

以上、変形モードの例について説明したが、上方向、下方向、左方向、右方向という変形方向は、これ以外の方向であってもよい。

以上のように、圧電センサー１Ｅの弾性体２は、第３面２０３を平面視したとき、互いに隣り合う２つの辺に対応する２つの隣接面として、第５面２０５および第２面２０２を有する。そして、圧電素子４１および圧電素子４３は、第５面２０５および第２面２０２に臨む位置に配置される。

このような構成によれば、第４実施形態よりもさらに多くの方向から力が印加された場合でも、力の印加方向を検出可能な圧電センサー１Ｅを実現することができる。具体的には、例えば、上方向や下方向だけでなく、左方向や右方向に加えられた力も区別して検出することができる。これにより、ハンド１０の様々な動きを、圧電センサー１Ｅの出力結果に基づいて、より綿密に捉えることができる。その結果、ハンド１０をより適切に作動させることができ、利便性をより高めることができる。

９．第８実施形態に係る圧電センサー
次に、第８実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図２１は、第８実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、第８実施形態について説明するが、以下の説明では第６、第７実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第６、第７実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第８実施形態に係る圧電センサー１Ｆは、圧電素子４１、４３に加え、圧電素子４２、４４を備える以外、第７実施形態に係る圧電センサー１Ｅと同様である。

圧電素子４２は、柱状部３５２、３５４を繋ぐように固定されている。圧電素子４４は、柱状部３５１、３５２を繋ぐように固定されている。

すなわち、圧電センサー１Ｆは、複数の圧電素子４１～４４を備える。具体的には、圧電センサー１Ｆの弾性体２は、第３面２０３を平面視したとき、外縁を構成する４つの辺に対応する４つの外側面として、第１面２０１、第２面２０２、第５面２０５および第６面２０６を有する。そして、図２１に示すように、圧電素子４１は、第５面２０５に臨む位置に配置され、圧電素子４２は、第６面２０６に臨む位置に配置され、圧電素子４３は、第２面２０２に臨む位置に配置され、圧電素子４４は、第１面２０１に臨む位置に配置される。

このような構成によれば、弾性体２の周囲を囲むように４つの圧電素子４１～４４を配置しているため、弾性体２にどのような方向の力が加わっても、少なくとも２つの圧電素子から電圧信号が出力されることになる。このため、本実施形態に係る圧電センサー１Ｆは、第５実施形態が奏する効果と、第７実施形態が奏する効果と、を併せ持つものとなる。具体的には、例えば、上方向、下方向、左方向および右方向に加えられた力を区別して検出するとともに、２つの圧電素子から出力される電圧信号を、一方が基準電圧から増加する信号とし、他方が基準電圧から減少する信号とすることができる。このため、様々な方向に加えられた力を、より精度よく検出することができる。

図２２は、図１９に示す変形モードで弾性体２が変形したとき、図２１に示す圧電素子４１～４４から出力される電圧信号の波形（出力波形）の一例を示す図である。なお、図２２に示す例では、基準電圧に対する相対的な電位の波形を示している。

圧電センサー１Ｆに下方向の力が加わると、圧電素子４１には、下方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、例えば負の電圧信号が出力される。また、圧電素子４２にも、下方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、例えば基準電圧に対して正の電圧信号が出力される。

圧電センサー１Ｆに上方向の力が加わると、圧電素子４１には、上方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、例えば正の電圧信号が出力される。また、圧電素子４２にも、上方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、例えば基準電圧に対して負の電圧信号が出力される。

圧電センサー１Ｆに押付方向の力、すなわち、図２１に示す弾性体２をＸ軸プラス側からＸ軸マイナス側の方向に押す力が加わると、圧電素子４１には上方向、圧電素子４２には下方向、圧電素子４３には左方向、圧電素子４４には右方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、それぞれ例えば基準電圧に対して電圧値が相対的に小さい正の電圧信号が出力される。

圧電センサー１Ｆに左方向の力が加わると、圧電素子４３には、左方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、例えば正の電圧信号が出力される。また、圧電素子４４にも、左方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、例えば基準電圧に対して負の電圧信号が出力される。

圧電センサー１Ｆに右方向の力が加わると、圧電素子４３には、右方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、例えば負の電圧信号が出力される。また、圧電素子４４にも、右方向への曲げ変形が生じ、図２２に示すように、例えば基準電圧に対して正の電圧信号が出力される。
以上のような第８実施形態においても、第６、第７実施形態と同様の効果が得られる。

１０．第９実施形態に係る圧電センサー
次に、第９実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図２３は、第９実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、第９実施形態について説明するが、以下の説明では第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第３実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第９実施形態に係る圧電センサー１Ｇは、規制部３が円環状をなしている以外、第３実施形態に係る圧電センサー１Ａと同様である。

規制部３が円環状をなしていることに伴い、弾性体２の第３面２０３を平面視したとき、図２３に示すように、弾性体２は円形をなしている。つまり、弾性体２の第３面２０３は、円形をなしている。円形には、真円、長円、楕円等を含む。

このように弾性体２の平面視形状が円形であることにより、弾性体２の平面視形状が矩形である場合に比べて、弾性体２の形状異方性が少なくなる。これにより、圧電センサー１Ｇに加わる力の向きによる感度のバラつきを抑えつつ、力の向きや大きさを検出することができる。

円環状をなす規制部３のうち、Ｙ軸プラス側の部位が第１壁部３１であり、Ｙ軸マイナス側の部位が第１壁部３２である。また、Ｚ軸プラス側の部位が第２壁部３３であり、Ｚ軸マイナス側の部位が第２壁部３４である。

また、弾性体２の側面、すなわち、第３面２０３および第４面２０４以外の面のうち、Ｙ軸プラス側の部位が第１面２０１であり、Ｙ軸マイナス側の部位が第２面２０２であり、Ｚ軸プラス側の部位が第５面２０５であり、Ｚ軸マイナス側の部位が第６面２０６である。第１壁部３１は、第１面２０１に臨む位置に配置され、第１壁部３２は、第２面２０２に臨む位置に配置され、第２壁部３３は、第５面２０５に臨む位置に配置され、第２壁部３４は、第６面２０６に臨む位置に配置されている。

そして、前述した第２実施形態では、弾性体２と第２壁部３３との間に圧電素子４１が設けられ、弾性体２と第２壁部３４との間に圧電素子４２が設けられているのに対し、本実施形態では、第２壁部３３の弾性体２とは反対側の面に圧電素子４１が固定され、第２壁部３４の弾性体２とは反対側の面に圧電素子４２が設けられている。
以上のような第９実施形態においても、第２実施形態と同様の効果が得られる。

１１．第１０実施形態に係る圧電センサー
次に、第１０実施形態に係る圧電センサーについて説明する。

図２４は、第１０実施形態に係る圧電センサーをＸ軸上の位置から見たときの平面図である。

以下、第１０実施形態について説明するが、以下の説明では第７、第９実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において第７、第９実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第１０実施形態に係る圧電センサー１Ｈは、規制部３が円環状をなしている以外、第７実施形態に係る圧電センサー１Ｅと同様である。

規制部３が円環状をなしていることに伴い、弾性体２の第３面２０３を平面視したとき、図２４に示すように、弾性体２は円形をなしている。

このように弾性体２の平面視形状が円形であることにより、弾性体２の平面視形状が矩形である場合に比べて、弾性体２の形状異方性が少なくなる。これにより、圧電センサー１Ｈに加わる力の向きによる感度のバラつきを抑えつつ、力の向きや大きさを検出することができる。

図２４に示す規制部３は、４つの柱状部３５１～３５４を備える。柱状部３５１は、弾性体２の中心を基準にしたとき、Ｙ軸プラス側でかつＺ軸プラス側に位置している。柱状部３５２は、Ｙ軸プラス側でかつＺ軸マイナス側に位置している。柱状部３５３は、Ｙ軸マイナス側でかつＺ軸プラス側に位置している。柱状部３５４は、Ｙ軸マイナス側でかつＺ軸マイナス側に位置している。そして、柱状部３５１、３５２は、第１面２０１に臨む位置に配置され、柱状部３５３、３５４は、第２面２０２に臨む位置に配置されている。そして、圧電素子４１は、柱状部３５１、３５３を繋ぐように固定され、圧電素子４３は、柱状部３５３、３５４を繋ぐように固定されている。

以上のような第１０実施形態においても、第７、第９実施形態と同様の効果が得られる。

以上、本発明の圧電センサーおよびハンドを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明の圧電センサーおよびハンドは、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、前記実施形態の各部が同様の機能を有する任意の構成のものに置換されたものであってもよく、前記実施形態に任意の構成物が付加されたものであってもよく、複数の前記実施形態を組み合わせたものであってもよい。

１…圧電センサー、１Ａ…圧電センサー、１Ｂ…圧電センサー、１Ｃ…圧電センサー、１Ｄ…圧電センサー、１Ｅ…圧電センサー、１Ｆ…圧電センサー、１Ｇ…圧電センサー、１Ｈ…圧電センサー、１ａ…圧電センサー、２…弾性体、３…規制部、６…保持部、１０…ハンド、１１…ベース、１２…スライダー、１３…スライダー、１４…指部、１５…指部、１６…モーター、１７…モーター、２１…接触面、３１…第１壁部、３２…第１壁部、３３…第２壁部、３４…第２壁部、４１…圧電素子、４２…圧電素子、４３…圧電素子、４４…圧電素子、４９…出力回路、１４１…把持面、１５１…把持面、２０１…第１面、２０２…第２面、２０３…第３面、２０４…第４面、２０５…第５面、２０６…第６面、２０７…凸曲面、３５１…柱状部、３５２…柱状部、３５３…柱状部、３５４…柱状部、４９１…アンプ、４９２…電源、４９３…電源、４９４…検出部、４９５…計測部、４９６…演算部、４９７…判断部、Ｂ…領域、Ｃ１…変化点、Ｃ２…変化点、Ｃ３…変化点、Ｐ…ピーク、ＴＭ…時間、ＴＬ…許容範囲、Ｗ…対象物、ｄ…外径、ｔ１…厚さ、ｔ２…厚さ、ｔ３…厚さ

Claims (2)

1. 弾性体と、
   前記弾性体と接する位置に配置され、前記弾性体の変形に伴って変形したときに電圧信号を出力する圧電素子と、
   前記圧電素子から出力される前記電圧信号を検出する検出部と、
   を備え、
   前記弾性体は、円筒状をなし、
   前記弾性体は、外側面に設けられ、対象物に接触する接触面を有し、
   前記弾性体を保持する保持部を備え、
   前記圧電素子は、前記接触面から離れた前記外側面に配置されており、
   前記弾性体が前記対象物に接触した後、前記対象物に対して前記弾性体が相対的に移動するとき、前記検出部は、前記対象物の相対的移動による前記電圧信号の変化に基づいて、前記対象物と前記弾性体との間に発生する動摩擦力を検出することを特徴とする圧電センサー。
2. 請求項１に記載の圧電センサーを備えることを特徴とするハンド。