JPH0581977A - 触覚センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 感圧導電性エラストマーシートの表面に対し
て垂直に作用する圧力のみならず、斜め方向や平行な方
向に作用する圧力も確実に検出できるようにし、而も、
圧力の方向性をも判別できるようにして、触覚としての
機能を充分に発揮し得るセンサーを提供する。 【構成】 押圧面９ａが形成された面形成体９と該面形
成体９に突設された接触用凸部１０とで接触子４を構成
し、前記押圧面９ａから感圧導電性エラストマーシート
２に圧力が作用するように接触子４を弾性支持し、前記
接触用凸部１０を感圧導電性エラストマーシート２の表
面又はこれを覆う絶縁性外皮３の表面より外方に突出さ
せ、この接触用凸部１０に圧力が作用することによる感
圧導電性エラストマーシート２の電気抵抗変化を電極６
より取り出すように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、感圧導電性エラストマ
ーの有する特性を利用したセンサーの改良技術に関し、
特に、圧力を感知する感圧部の構造に大幅な改良を加え
て従来には存在しなかった触覚としての機能を所有させ
るための技術であり、例えば食品用ロボット、医療用ロ
ボット、産業用ロボット、機械装置用の感圧センサー等
の触覚部分を有する装置への利用に供し得るセンサーに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、無加圧時には高電気抵抗値を
示して絶縁性を有し且つ加圧時には圧縮変形することに
より低電気抵抗値を示して導電性を有するようになる材
料として、感圧導電性ゴムに代表される感圧導電性エラ
ストマーがあり、この種の材料は、例えば特公昭５６−
９１８７号公報、特公昭５６−５４０１９号公報、特公
昭６０−７２２号公報、特公昭６０−７２３号公報等に
より、既に公知となっている。この感圧導電性エラスト
マーは、ゴム又はエラストマーでなる絶縁体の中に金属
や造粒カーボン等の導電性粒子を混合分散させたもので
あり、その特性は、無加圧時には導電性粒子が互いに離
れているために絶縁性を示すのであるが、圧力を加えて
いくことにより導電性粒子が互いに接近し或いは接触し
て電気抵抗値が次第に低下し、これに伴って導電性を示
すようになるものである。

【０００３】このような感圧導電性エラストマーの有す
る特性を利用して実際にセンサーに適用した従来例とし
て、図１８に示すように、感圧導電性エラストマー１０
０の上面及び下面にフィルム状のフレキシブルプリント
基板１０１、１０２を配設し、この双方のプリント基板
１０１、１０２に上面側と下面側とで互いに直交する方
向に延びる多数列の電極１０１ａ…１０１ａ、１０２ａ
…１０２ａを所定のピッチで列設したものである。この
センサーによれば、特定の一箇所に圧力が加えられて感
圧導電性エラストマーシート１００が圧縮変形を来たし
た場合には、当該一箇所に存在する上面側プリント基板
１０１の電極１０１ａと下面側プリント基板１０２の電
極１０２ａとの間が導通状態となり、この導通状態とな
っている電極１０１ａのＸ方向位置と電極１０２ａのＹ
方向位置とから圧力が加えられている箇所のＸ−Ｙ座標
が特定できるものであり、また導通時の通電量から圧力
の大きさを知得できるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記例
示した従来のセンサーは、以下に示すような問題点があ
った。即ち、感圧導電性エラストマーシート１００の上
面側に配設されたフレキシブルプリント基板１０１は、
ポリエステルやポリアミド等のプラスチックでなるフィ
ルムに銅箔或いはアルミ箔等の電極を貼着したものであ
るため、上方からの加圧力は感圧導電性エラストマーシ
ート１００に直接的に作用するものではなく、フレキシ
ブルプリント基板１０１を介して間接的に作用すること
となり、このため加圧力はフレキシブルプリント基板１
０１によって分散されてしまい、感圧導電性エラストマ
ーシート１００が本来的に有している特性よりも分解能
が低下するという問題がある。

【０００５】更に、上記のセンサーが検出可能な圧力の
方向は、感圧導電性エラストマーシート１００の上面を
指向する方向のみであって、当該上面と平行な方向を指
向する圧力は感知できず、触覚としての機能を果し得な
いばかりでなく、検出可能な項目は、圧力が作用してい
るＸ−Ｙ座標の位置と圧力の大きさのみであって、例え
ば斜め方向に圧力が作用した場合には左右前後のどの方
向から斜めに作用しているかを知ることができず、方向
性を感知するセンサーとしては何ら利用に供し得ないと
いう問題があった。

【０００６】本発明は上記諸事情に鑑みてなされたもの
であり、分解能の低下の問題点や圧力方向検知の問題点
等を総合的に検討することにより、分解能が良く而も斜
め方向や左右前後方向の方向性の判別が可能であって、
触覚として充分な機能を発揮し得るセンサーを提供する
ことを技術的課題とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る触覚センサ
ーは、上記技術的課題を達成すべく、以下に示すように
構成したことを特徴とする。即ち、押圧面が形成された
面形成体と該面形成体に突設された接触用凸部とを有す
る接触子と、該接触子の押圧面からの圧力が作用する感
圧導電性エラストマー部材と、前記押圧面との間に該感
圧導電性エラストマー部材を介して配設され且つ該感圧
導電性エラストマー部材の変形に伴う電気抵抗変化を取
り出す電極とを具備してなり、前記接触子を前記感圧導
電性エラストマー部材に対して変位可能に支持させると
共に、前記接触子の接触用凸部を前記感圧導電性エラス
トマー部材の表面より外方に突出させたことを要旨とす
るものである。そして、必要に応じて、以下に示すよう
な手段が講じられる。即ち、感圧導電性エラストマー部
材の表面を絶縁性外皮で覆うと共に、接触子の面形成体
を前記絶縁性外皮より内方に位置させ、且つ該接触子の
接触用凸部を前記絶縁性外皮の表面より外方に突出させ
る。また、接触子としては、プラスチック、セラミッ
ク、ゴム又は金属からなり、該接触子の押圧面に過負荷
防止用凸部が形成されているものを採用し、絶縁性外皮
としては、合成ゴム又は熱可塑性エラストマーからなる
ものを採用する。更に、電極としては、接触子の押圧面
の中心に対応する位置の周囲複数箇所に配設されている
ものを採用し、電極からの電気信号を処理する制御手段
を内部に組み込む。

【０００８】

【作用】上記手段によると、接触子の接触用凸部に検出
圧力が作用した場合には、接触子単体が変位することに
より面形成体も変位し、従って面形成体の押圧面から感
圧導電性エラストマー部材に加圧力が作用し、これに伴
って感圧導電性エラストマー部材が変形し、この変形に
起因する電気抵抗変化が電極より取り出される。この場
合、上記検出圧力は接触子の接触用凸部のみに集中して
作用するものであるから、この検出圧力が周囲に分散さ
れることはなく、而も、該接触用凸部は感圧導電性エラ
ストマー部材の表面より外方に突出しているので、感圧
導電性エラストマー部材の表面と平行な方向の圧力は、
接触用凸部の側方より作用して接触子単体を変位させ、
ひいては感圧導電性エラストマー部材を変形させること
となる。

【０００９】そして、感圧導電性エラストマー部材の表
面を絶縁性外皮で覆うようにすれば、この絶縁性外皮に
接触子を弾性支持させることも可能となり、また絶縁性
外皮の作用により感圧導電性エラストマー部材等に対す
る内部保護がなされるばかりでなく、この絶縁性外皮の
表面に装飾等を施しておけば、触覚センサーの外観性の
向上が図られる。

【００１０】また、電極を、接触子の押圧面の中心に対
応する位置の周囲複数箇所に配設しておけば、感圧導電
性エラストマー部材の表面と平行な方向或いは斜め方向
の圧力が接触用凸部に作用することにより押圧面が傾斜
状となるように接触子が変位した場合には、押圧面の周
部と各電極との間の圧縮変形の度合が異なることとな
り、従って、各電極からは夫々異なる値の電気抵抗が取
り出されることとなり、個々の電極の配設位置と電気抵
抗値の差異とから接触用凸部に作用した圧力の方向性が
判別できることとなる。

【００１１】更に、電極からの電気信号を処理する制御
手段を内部に組み込んでおけば、配線等も同様に内部に
組み込めることとなり、センサーのコンパクト化が図ら
れると共に、配線が外部に露出することによる外観性の
悪化や使用勝手の悪化等が好適に防止される。

【００１２】この場合において、感圧導電性エラストマ
ー部材としては、従来のものを用いることができ、中で
もシリコーンゴム中に造粒カーボン或いは球状炭素粒子
を混合分散させたものを使用することが好適である。ま
た、接触子としては、所要の剛性及び耐久性が必要であ
るから、金属、セラミック、プラスチック又はゴム等を
用いればよく、中でもプラスチック或いはゴムを成型し
たものを使用することが好適である。更に、絶縁性外皮
としては、特に限定しないが、クロロプレンゴム、アク
リロニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコー
ンゴム又はフッ素ゴム等の合成ゴムや熱可塑性エラスト
マーを用いればよく、中でも柔軟性の良いゴムを成型し
たものを使用することが好適である。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係る触覚センサーの実施例を
図面に基づいて説明する。先ず、本発明の第１実施例を
説明する。図１に示すように、触覚センサー１は、シリ
コーンゴム中に造粒カーボン又は球状炭素粒子を混合分
散させてなる感圧導電性エラストマーシート２と、該感
圧導電性エラストマーシート２の上面に貼着された柔軟
性の良いゴム等でなる絶縁性外皮３と、該絶縁性外皮３
に変位可能に弾性支持されたプラスチック或いはゴム等
でなる剛性の高い接触子４と、前記感圧導電性エラスト
マーシート２の下方に配置されたプリント基板５と、該
プリント基板５の上面に設けられて前記感圧導電性エラ
ストマーシート２の下面が当接する電極６（電極パター
ン）と、前記プリント基板５の上面における電極６の側
方に設けられて保護膜７により覆われたＩＣやＬＳＩ等
でなる制御手段８とを有する。尚、この実施例において
は、絶縁性外皮３と接触子４とが一体的に固着されてい
ると共に、絶縁性外皮３の厚みは約０．５mm、感圧導電
性エラストマーシート２の厚みは約０．３〜０．５mm、
プリント基板５の厚みは約０．１〜０．５mmとされてい
る。

【００１４】そして、図２に示すように、接触子４及び
これに対応する電極６は、所定の規則性をもって（図示
例のものは縦横に等しいピッチで）、複数箇所に配設さ
れている。尚、単一の接触子４及びこれに対応する電極
６を有する構造のみで単一の触覚センサー１とすること
も可能である。

【００１５】前記接触子４は、図３に示すように、下端
に押圧面９ａが形成された円板状の面形成体９と、該面
形成体９の上部に垂直に突設された棒状又は針状の接触
用凸部１０とからなる。そして、前記面形成体９の形状
は、上記の円板状に限定されるものではなく、例えば図
４に示す四角形或いは三角形やその他の多角形であって
もよく、更には図５に示す花弁状のものであってもよ
く、また上記例示のように肉厚均一の板状である必要は
なく、下端に押圧面が形成されるものでありさえすれば
よい。尚、上記例示の接触子４はいずれも、接触用凸部
１０の上端が平坦面とされているが、この上端を球面状
或いはその他の凸形状としてもよい。

【００１６】前記電極６としては、一対の平行電極或い
は櫛歯状電極を用い、これを接触子４の押圧面９ａの下
方に配設してもよいが、接触子４に作用する圧力の方向
性を感知することが可能となるように、接触子４の押圧
面９ａの周縁部下方に複数の電極を配設することが好ま
しい。その一例を述べると、図６に示すように、中心電
極Ｘ１と、その周囲を取り囲む共通電極Ｘ２と、該共通
電極Ｘ２の周囲に９０度の角度間隔で配置された外方電
極Ｘ３…Ｘ３とで構成し、接触子４の押圧面９ａの中心
部下方に前記中心電極Ｘ１を配置させて、押圧面９ａの
中心部から下方に作用する圧力を中心電極Ｘ１と共通電
極Ｘ２との間から取り出し、押圧面９ａの周縁部から下
方に作用する個々の圧力を共通電極Ｘ２と外方電極Ｘ３
…Ｘ３との間から取り出すようにするのである。そし
て、電極の形状は上記のものに限定されるわけではな
く、例えば図７或いは或いは図８に示す形状としても同
様の作用効果が得られ、更には図９に示すように外方電
極Ｘ３…Ｘ３の個数を８個或いはその他の個数としても
よく、また中心電極Ｘ１を廃止するようにしてもよい。

【００１７】以上のような構成によれば、図１に示す状
態から接触子４の接触用凸部１０に圧力が加えられた場
合には、該接触子４の押圧面９ａからの加圧力の作用に
より感圧導電性エラストマーシート２が圧縮変形し、そ
の電気抵抗値が低下することになるが、この電気抵抗値
の変化は電極６より取り出され、電気信号として制御手
段８に送出される。そして、制御手段８は、この電気信
号に基づいて、加圧力の大きさを演算する。この場合、
電極６を、図６乃至図９に例示したような構成としてお
けば、接触子４の接触用凸部１０に斜め方向からの圧力
や水平方向からの圧力が作用することにより、押圧面９
ａが傾斜状態となって感圧導電性エラストマーシート２
を不均一に圧縮変形させた場合には、共通電極Ｘ２と個
々の外方電極Ｘ３…Ｘ３との間から異なる複数種の電気
信号が取り出されることとなり、制御手段８は、これら
の複数種の電気信号に基づいて、圧力がいかなる方向か
ら作用しているかを判別する。そして、制御手段８に温
度補正処理を行わせるようにしておけば、高精度の圧力
検出が行えることとなる。

【００１８】図１０は、本発明の第２実施例を示すもの
であって、この第２実施例は、感圧導電性エラストマー
シート２に接触子４の下部を埋設させて弾性支持したも
のであり、その他の構成については上記第１実施例につ
いて述べた事柄と同一である。

【００１９】図１１は、本発明の第３実施例を示すもの
で、この第３実施例は、感圧導電性エラストマーシート
２の上面に凸部２ａを形成し、この凸部２ａの上端より
接触子４の接触用凸部１０を突出させたものであり、そ
の他の構成は上記第２実施例と同一である。

【００２０】図１２は、本発明の第４実施例を示すもの
であり、この第４実施例は、絶縁性外皮３の上面を更に
保護カバー用エラストマー１１で覆ったものであり、そ
の他の構成については上記第１実施例で述べた事柄と同
一である。

【００２１】図１３は、本発明の第５実施例を示すもの
であり、この第５実施例は、感圧導電性エラストマーシ
ート２を小片にすると共に、一個の接触子４につき一個
の感圧導電性エラストマーシート２を設けるようにした
ものであり、接触子４の形状や電極６の構成等について
は、上記第１実施例で述べた事柄と同一である。そし
て、この第５実施例によれば、接触子４及び電極６を複
数箇所に設けた場合に、感圧導電性エラストマーシート
２の変形が各接触子４毎に独立して生じることになるの
で、相隣接する電極６に悪影響を及ぼすといった事態が
確実に回避される。

【００２２】図１４は、本発明の第６実施例を示すもの
であり、この第６実施例は、接触子４の面形成体９の上
面及び下面を押圧面９ａ、９ａとし、この面形成体９の
上側及び下側に小片の感圧導電性エラストマーシート
２、２を配置させ、弾力性を有するスペーサー１２の上
面側及び下面側に配設されたプリント基板５、５の夫々
の電極６、６により双方の感圧導電性エラストマーシー
ト２、２の変形に伴う電気抵抗変化を取り出すように構
成したものであり、接触子４の形状や電極６の構成等に
ついては、上記第１実施例で述べた事柄と同一である。
そして、この第６実施例によれば、単一の接触子４の変
位に伴って二枚の感圧導電性エラストマーシート２、２
が変形することになるので、感度が良くなると共に、接
触子４に上方向への圧力（例えば引張力）が作用した場
合であっても圧力検知が可能となる。

【００２３】図１５は、本発明の第７実施例を示すもの
であり、この第７実施例は、接触子４の面形成体９、９
を上下二段に取り付け、この双方の面形成体９、９の中
間に上下両面に電極６、６を有するプリント基板５を配
置し、各々の面形成体９、９と電極６、６との間に小片
の感圧導電性エラストマーシート２を介設し、これらの
上下両側方を絶縁性外皮３で覆うようにしたものであり
（下側の絶縁性外皮３は剛性が高い）、接触子４（面形
成体９）の形状や電極６の構成については、上記第１実
施例で述べた事柄と同一である。そして、この第７実施
例においても、上記第６実施例と同様に、感度が良くな
ると共に、接触子４に対する上方向への圧力検出も可能
となる。

【００２４】図１６は、本発明の第８実施例を示すもの
であり、この第８実施例は、接触子４の面形成体９の押
圧面９ａ周縁部に図１７に示すような過負荷防止用凸部
１５…１５を形成し、この凸部１３…１５を感圧導電性
エラストマーシート２に埋設させたものであり、その他
の構成については上記第１実施例で述べた事柄と同一で
ある。そして、この第８実施例によれば、最大許容圧力
値以上の圧力が接触子４に作用した場合には、凸部１５
…１５の作用により感圧導電性エラストマーシート２の
所定率以上の変形が阻止され、各部の耐久性の向上等が
図られる。尚、このように過負荷防止用凸部１５…１５
を形成する構成は、上記第２乃至第７実施例についても
同様に適用できるものである。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明に係る触覚センサー
によれば、押圧面が形成された面形成体と該面形成体に
突設された接触用凸部とで接触子を構成し、前記押圧面
から感圧導電性エラストマー部材に圧力が作用するよう
に接触子を弾性支持し、且つ前記接触用凸部を感圧導電
性エラストマー部材の表面又はこれを覆う絶縁性外皮の
表面より外方に突出させたから、この接触用凸部に対し
て鉛直方向に作用する圧力のみならず斜め方向や水平方
向に作用する圧力更には引張方向に作用する圧力をも検
出できることとなり、使用用途の拡大が図られると共
に、接触用凸部に作用する圧力の方向性をも検出するこ
とが可能となり、触覚センサーとしての機能を充分に発
揮できることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る触覚センサーの要部
を示す拡大縦断正面図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る触覚センサーの全体
構成を示す斜視図である。

【図３】接触子の第１の例を示す単体斜視図である。

【図４】接触子の第２の例を示す単体斜視図である。

【図５】接触子の第３の例を示す単体斜視図である。

【図６】電極の第１の例を示す平面図である。

【図７】電極の第２の例を示す平面図である。

【図８】電極の第３の例を示す平面図である。

【図９】電極の第４の例を示す平面図である。

【図１０】本発明の第２実施例に係る触覚センサーの全
体構成を示す斜視図である。

【図１１】本発明の第３実施例に係る触覚センサーの全
体構成を示す斜視図である。

【図１２】本発明の第４実施例に係る触覚センサーの全
体構成を示す斜視図である。

【図１３】本発明の第５実施例に係る触覚センサーの要
部を示す拡大縦断正面図である。

【図１４】本発明の第６実施例に係る触覚センサーの要
部を示す拡大縦断正面図である。

【図１５】本発明の第７実施例に係る触覚センサーの要
部を示す拡大縦断正面図である。

【図１６】本発明の第８実施例に係る触覚センサーの要
部を示す拡大縦断正面図である。

【図１７】上記第８実施例の触覚センサーに用いられる
接触子を示す単体斜視図である。

【図１８】従来例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 触覚センサー ２ 感圧導電性エラストマー部材 ３ 絶縁性外皮 ４ 接触子 ６ 電極 ８ 制御手段 ９ 面形成体 ９ａ 押圧面 １０ 接触用凸部 １５ 過負荷防止用凸部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 押圧面が形成された面形成体と該面形成
   体に突設された接触用凸部とを有する接触子と、該接触
   子の押圧面からの圧力が作用する感圧導電性エラストマ
   ー部材と、前記押圧面との間に該感圧導電性エラストマ
   ー部材を介して配設され且つ該感圧導電性エラストマー
   部材の変形に伴う電気抵抗変化を取り出す電極とを具備
   してなり、前記接触子を前記感圧導電性エラストマー部
   材に対して変位可能に支持させると共に、前記接触子の
   接触用凸部を前記感圧導電性エラストマー部材の表面よ
   り外方に突出させたことを特徴とする触覚センサー。
2. 【請求項２】 感圧導電性エラストマー部材の表面を絶
   縁性外皮で覆うと共に、接触子の面形成体を前記絶縁性
   外皮より内方に位置させ、且つ該接触子の接触用凸部を
   前記絶縁性外皮の表面より外方に突出させたことを特徴
   とする請求項１に記載の触覚センサー。
3. 【請求項３】 接触子が、プラスチック、セラミック、
   ゴム又は金属からなり、該接触子の押圧面に過負荷防止
   用凸部が形成されていることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の触覚センサー。
4. 【請求項４】 絶縁性外皮が、合成ゴム又は熱可塑性エ
   ラストマーからなることを特徴とする請求項２に記載の
   触覚センサー。
5. 【請求項５】 電極が、接触子の押圧面の中心に対応す
   る位置の周囲複数箇所に配設されていることを特徴とす
   る請求項１、２、３又は４に記載の触覚センサー。
6. 【請求項６】 電極からの電気信号を処理する制御手段
   を内部に組み込んだことを特徴とする請求項１、２、
   ３、４又は５に記載の触覚センサー。