JPH0658272B2 - 触圧覚センサ - Google Patents

触圧覚センサ

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JPH0658272B2
JPH0658272B2 JP63126662A JP12666288A JPH0658272B2 JP H0658272 B2 JPH0658272 B2 JP H0658272B2 JP 63126662 A JP63126662 A JP 63126662A JP 12666288 A JP12666288 A JP 12666288A JP H0658272 B2 JPH0658272 B2 JP H0658272B2
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和雄 谷江
夏夫 鈴木
久人 平石
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、触圧覚センサに関し、特に分布型触圧覚セン
サに関するものである。
[産業上の利用分野] 近年、人間には危険または困難な作業を、人間に替わっ
て遂行し得る種々の機能を有するロボットが開発され、
これに伴って感覚センサも各種のものが開発されてい
る。
[発明が解決しようとする課題] 触圧覚センサは、ロボットハンドの把持面を正確に位置
決めしたり、触覚的に把持物体の形状を認識したり、あ
るいは接触面の変化から把持物体のすべりを検出したり
するのに必要不可欠であり、従来から開発努力がなされ
ているが、従来の触・圧覚センサには、機械的スイッチ
を用いるものや、導電ゴム等の抵抗変化を利用するもの
等があるが、これらは、一般に高密度配置ができないた
め分解能が低かったり、あるいは、高密度配置が可能な
場合でも、触圧覚センサとしての前記機能を発揮するた
めに充分な広さの検出面が確保できないという問題があ
り、これら問題点の解決が望まれている。
この問題を解決するために、本件発明の発明者は先に新
たな触圧覚センサを開発した(昭和60年特許出願公開
第120229号)。この新たに提案された触圧覚セン
サ51は第11図に示すように、透明基板の一方の面に
凹凸面58をもつ可撓性シートからなる外層材56を重
ね、かつライトガイド53を通して透明基板に光を入射
し、外層材56の凹凸面58が物体と接触して変形した
ときに、その変形によって透明基板57の光反射面を変
化させ、その光反射面の変化に応じて透明基板57から
の反射光量が変化することを受光素子55で検出して、
物体の接触及び圧力を検出するものである。この新たに
提案された触圧覚センサは充分な広さの検出面を有する
高分解能の触圧覚センサを得ることができる顕著な効果
を発揮するのであるが、透明基板57に入射すべき光量
が比較的に大きく要し、これを低下させることが望まれ
る。
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、分解能が高くロボットハンドへの装着を可能とする
コンパクトな構成であり、しかも機能発揮のために充分
な広さの検出面を確保でき、入射光量が小さくてすむ、
高密度分布型触圧覚センサを提供することを目的として
いる。
[課題を解決するための手段] この目的に対応して、この発明の触圧覚センサは内側面
に弾性変形可能な多数の突起を有する外層材と前記突起
に接触した前記外層材に沿って配設された基板とを備え
た検出部材を有し、前記基板は蛍光物質を分散させた透
光性材料で構成され、かつ、前記基板に光を入射し得る
光源と前記基板から出射した光を色フィルタを介して受
光する受光装置とを備えることを特徴としている。
[作用] このように構成された触圧覚センサでは、光源からの光
が基板に入り蛍光物質を励起して蛍光を発する。外層材
の凹凸面が物体と接触して変形したときに、その変形に
よって基板の反射面が変化し、その光反射面の変化に応
じて基板からの反射光量が変化することを受光装置で検
出して物体の接触圧力、接触形状を検出する。
[実施例] 以下、この発明の詳細を、一実施例を示す図面について
説明する。
第1図、第2図及び第3図において、1は触圧覚センサ
である。検出部材2と光源3と色フィルター4と受光装
置5とを重ねて備えている。
検出部材2は外層材6と基板7とを重ねて構成される。
外層材6は、例えば白色のシリコンゴムのような、可撓
性を有するシート状の材料からなり、かつ光をよく反射
し得る材料で構成されており、基板7と接する側の面
(内側面)には、一様に細かいピッチで分布する凹凸か
らなる凹凸面8が形成されており、その凸部8aの先端
点において基板7の面11と接している。凹凸の形状と
しては例えば円錐形等を用いることができる。
外層材6の凸部8aに接触した状態で基材7が重ねられ
ている。基材7はアクリル、ポリカーボネート等の透明
性の高い材料で構成され、かつ蛍光物質12を分散させ
ている。蛍光物質としては例えば青〜緑を吸収し赤を発
光するPerylene等を用いることができる。
基板7の面11と平行な面13に対向する位置には、ス
ペーサ14を介して光源3が重ねられている。面13と
光源3との間には空間9が位置する。光源3としては基
板7の蛍光物質12を励起できる蛍光色より短波長の光
を発する面発光型の光源であることが好ましい。また、
光源3は基板7からの蛍光を透過させる透明性が必要で
あり、このようなことから、光源3はガラス板上に薄膜
EL(エレクトロ・ルミネッセンス)を形成したものを
使用することができる。この場合、薄膜ELはZnSベ
ース、TbFドープで緑、SrSベースSeFドー
プで青の発光となる。色フィルタ4は蛍光色を選択的に
透過するカラーフィルタであり、第4図に示すように、
光源3の光よりも長波長の蛍光を透過させる特性をもつ
ものである。ダイクロイックミラーを用いると透過光以
外を反射するので、基板7の蛍光物質12の励起強度を
強められるので好ましい。受光装置5はレンズ15及び
光電変換素子群16とからなっている。
レンズ15はロッドレンズ或いは屈折率分布型のマイク
ロレンズアレーで構成されている。光電変換素子群16
はフォトトランジスタアレー、フォトダイオードアレー
で構成されている。これらはディスクリート素子を組合
せてもよいが、a−Si(アモルファス・シリコン)等
を用いて薄膜素子としてガラス等の適当な基板上に集積
する方が好ましい。光電変換素子群16を薄膜化集積素
子とする場合には、触圧覚センサが小型のものの場合に
は素子サイズ10mm×10mm程度のCCDまたはMOS
型単板素子を用いることができる。また、触圧覚センサ
を大型化した場合には、単結晶Siを用いる前記の方式
では第1図に示すような構成は難しいので、a−Siの
PIN型フォトダイオード(第5図)を受光素子として
MOSトランジスタもa−Siで形成すれば、基板とし
て無アルカリガラス等を用い第6図に示すような素子サ
イズ100mm×100mm以上の大型の光電変換素子アレ
ーを作成できる。
なお、第5図及び第6図において符号17はフォトダイ
オード、18は透明電極、21は電極、22は絶縁膜で
ある。絶縁膜22は通常SiOまたはSiで構
成する。
このように構成された触圧覚センサ1は例えばロボット
ハンドの手先のフレーム24に組込まれ、外層材6が外
方に露出している状態にする。
このように構成された触圧覚センサ1において、光源3
が発光し基板7の中に光41が照射されると、その光4
1が蛍光物質12を励起して、基板7内に蛍光42が発
生する。この時に第7図に示す如く外層材6の外面から
外層材6に垂直方向から力Fがかかると、外層材6が弾
性変形を起こし、外層材6の凹凸面8が押し潰されて変
形するが、弱く押されている箇所では凸部8aの先端近
傍だけが基板7の面11に接し、強く押されている箇所
では、その力の強さに応じて凹部の一部あるいは全部が
面11に接した状態となる。
一方、光学上、透明板の中をある臨界角以下の入射角
で、透明板の表面に向かって進行する光は、透明板の表
面が空気に接している場合には殆ど全反射して再び透明
板7の中に戻るが、透明板7の表面がこの実施例におけ
るシートのような物質に接している場合には、透明板7
の表面を透過し、またその物質にその光が反射された場
合は、その反射光は再び透明板の表面を透過して透明板
の中に戻るという性質を有する。
さて、力Fによって外層材6が押付けられている箇所以
外では基板7の面11の大部分は、外層材6の凹凸面の
凹部に入っている空気に接しており、基板7の中の蛍光
42は、おおむね前記臨界角以下の入射角で基板7の面
11に向かって進行するので、面11において殆ど全反
射して再び基板7の中に戻り、基板7の他方の面13に
向かうが、面13は空気と接しているので面13におい
ても光は殆ど全反射して基板7の中に戻される。
外層材6が押付けられている箇所では、基板7の面11
に達した蛍光42は面11を透過して白いシリコンゴム
等の外層材6の表面で反射して再び、面11を透過し、
基板7の中に入る。
この時の外層材6の表面における反射は外層材6の材質
上、乱反射となるので、反射角は入射角と必ずしも一致
せず、面11と垂直に近いものも出て、これら面11と
垂直に近い蛍光43は面11を透過し、垂直に近い入射
角で面13に達するので、前記臨界角以上となり面13
をも透過して、面13に対向して位置する光源3を通過
し、色フィルタ4に達する。色フィルタでフィルタリン
グされて蛍光だけがレンズ15を通して光電変換素子群
16に入る。光電変換素子群16は入射光量に応じた電
気信号を出力する。
外層材4を押す力Fによって強く押されている部分ほど
外層材6が基板7の面11と接する面積が大きくなり、
従ってその位置に対応する位置にある光電変換素子群1
6に達する光量も多く、光電変換素子群16による電気
出力も大きくなる。
これらの光電変換素子群16からの電気出力はコンピュ
ータによって処理され、力Fによる外層材6への圧力分
布が検出される。即ち、外層材6への圧力の位置と大き
さとの分布を検出することが出来、どんな形状ものがど
の位の強さでシートを押しているかを識別することがで
きる。
このときの圧力分布を、コンピュータからモニタテレビ
に映像として送ることもできる。
[実験例] 白色系の型取り用硬化型2液性シリコンゴムを用い12
0℃、2時間の硬化条件にてシート状に形成して外層材
6とした。この時金型を用いて一方の面はピッチが0.
5mmで頂角が90゜の円錐形の凹凸が密に分布するよう
にする。シート厚さは1.0mmとした。
次に、蛍光物質として、青〜緑の光を吸収し赤色を発光
する有機系蛍光染料のPeryleneを用意し、これをポリカ
ーボネート樹脂中に分散させ板状に成形する。板厚は5
mmとした。こうして蛍光物質が均一にドープされた透明
の基板が得られる。Peryleneの発光特性は第4図に示し
た。
次に第8図に示すように、厚さ1mmのパイレックスガラ
ス基板26上に1000ÅのITO(Indium-Tin-Oxid
e)の透明電極27を蒸着で形成し、更に3000Åの
による絶縁膜28、1μmのCeドープSrS
による発光層31、3000ÅのYによる絶縁膜
32、1000ÅのITOの透明電極33を順次にやは
り蒸着法により形成したEL(エレクトロルミネッセン
ス)平面発光素子で光源3を作る。発光は透明電極2
7,33の間に5KHz、120Vの電圧を印加して得
る。本発光体の発光特性は第4図に示した。
次に屈折率の異なる透明多層膜を設計した膜厚で積層す
ることによって特定波長の光を透過させる色フィルタ4
は容易に作成できて、これはダイクロイック・ミラーと
して良く知られている。
ここでは第4図に示したような透過特性のダイクロイッ
ク・ミラーを厚さ1mmのパイレックスガラス基板上に形
成した。
次にレンズ15として分布屈折率平板マイクロレンズを
用意する。ガラス基板に直径0.9mm、ピッチ1.0mm
の2次元レンズアレーとし、各レンズの開口数は0.2
3であった。
次に光電変換素子群16としてフォトトランジスアレー
を形成した。
以上を第1図のように積層する。この時基板7と光源3
との間には0.5mmの厚さのスペーサ14を入れて、両
者の間に空間を設ける。
こうして触圧覚センサが完成した。
[発明の効果] この発明によれば分解能が高く、ロボットハンドへの装
着を可能とするコンパクトな構成で、かつ機能発揮のた
めに充分な広さを検出面で確保できる高密度分布型触圧
覚センサを得ることができる。
特に重要なこととして、この発明の触圧覚センサでは光
導波路となるべき基板7中に蛍光物質を含んで蛍光を発
する構造となっているために、基板7中での光の減衰が
少なく、検出感度を高めることができる。
[他の実施例] 第9図はこの発明の他の実施例を示すもので、この実施
例においては受光装置5としてレンズ35を備えたカメ
ラ36を使用している。
また、第10図はこの発明の更に他の実施例を示すもの
で、この実施例においては、光源3を平面発光型とせず
に投光型とし、側方から基板7に投光する構成とし、か
つ、受光装置としてレンズ35を備えたカメラ36を使
用し、色フィルタ4、レンズ35、カメラ36を離隔し
た位置から基板7に対向させたものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例に係わる触圧覚センサの斜
視説明図、第2図は第1図に示す触圧覚センサの縦断面
分解説明図、第3図は第1図の触圧覚センサをロボット
ハンドに組込んだ状態を示す縦断面図、第4図は色フィ
ルタの透過特性を示すグラフ、第5図はフォトダイオー
ドを示す断面拡大説明図、第6図はMOS型撮像素子を
示す回路図、第7図は触圧覚センサの動作を示す縦断面
説明図、第8図は光源の縦断面説明図、第9図は他の実
施例の触圧覚センサの断面説明図、第10図は他の実施
例の触圧覚センサの断面説明図、及び第11図は従来の
触圧覚センサを示す断面説明図である。 1……触圧覚センサ 2……検出部材 3……光源 4……色フィルタ 5……受光装置 6……外層材 7……基板 8……凹凸面 8a……凸部 9……空間 11……面 12……蛍光物質 13……面 14……スペーサ 15……レンズ 16……光電変換素子群 17……フォトダイオード 18……透明電極 21……電極 22……絶縁膜 24……フレーム 26……パイレックスガラス基板 27……透明電極 28……平面発光素子 35……レンズ 36……カメラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 森 雅之 (56)参考文献 特公 平6−3404(JP,B2)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内側面に弾性変形可能な多数の突起を有す
    る外層材と前記突起に接触した状態で前記外層材に沿っ
    て配設された基板とを備えた検出部材を有し、前記基板
    は蛍光物質を分散させた透光性材料で構成され、かつ、
    前記基板に光を入射し得る光源と前記基板から出射した
    光を色フィルタを介して受光する受光装置とを備えるこ
    とを特徴とする触圧覚センサ
  2. 【請求項2】前記光源は平面光源であり、前記受光素子
    は光電変換素子であり、前記光源、色フィルタ、レンズ
    アレー及び前記受光素子が順次前記基板に重ねられて配
    設されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の触圧覚センサ
  3. 【請求項3】前記光源は平面光源であり、前記受光素子
    はカメラであり、前記光源、色フィルタが順次前記基板
    に重ねられて配設され、前記受光素子は前記色フィルタ
    に対向して位置していることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の触圧覚センサ
  4. 【請求項4】前記光源は投影型光源であって前記基板か
    ら離隔して位置し、前記受光素子はカメラであって前記
    色フィルタを介して前記基板に対向して位置しているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の触圧覚セン
JP63126662A 1988-05-24 1988-05-24 触圧覚センサ Expired - Lifetime JPH0658272B2 (ja)

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JP2008032522A (ja) * 2006-07-28 2008-02-14 Nitta Ind Corp 光ファイバを用いた触覚センサ
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