JPH10104091A - 柔軟体応力計測方法 - Google Patents

柔軟体応力計測方法

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JPH10104091A
JPH10104091A JP25859996A JP25859996A JPH10104091A JP H10104091 A JPH10104091 A JP H10104091A JP 25859996 A JP25859996 A JP 25859996A JP 25859996 A JP25859996 A JP 25859996A JP H10104091 A JPH10104091 A JP H10104091A
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JP
Japan
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cavity
stress
resonance frequency
flexible body
sound wave
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Application number
JP25859996A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Shinoda
裕之 篠田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Original Assignee
Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
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Publication date
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 柔らかな被測定物の形状や肌触りなどを測定
するにはセンサ自体が柔軟体である必要がある。従来
は、応力を測る素子やフィルムなどを埋め込んだ柔軟体
をセンサとして用いていたが、柔軟性が損なわれるだけ
でなく、精度を上げるには素子などの小型・集積化が必
要となり、構造が複雑になっていた。 【解決手段】 柔軟体の内部に空洞を設け、該柔軟体の
内部に応力がかけられたときの該空洞の共鳴周波数の変
化率を測定し、測定された共鳴周波数の変化率と空洞周
囲応力テンソルとに基づき上記柔軟体内部の応力を検出
するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゴムのような柔軟
体の内部応力を精度良く検出するための柔軟体応力計測
方法に関する。本発明は、柔らかなタッチを行うハンド
部をもつロボットの触覚センサのような、柔軟な材料で
作られたアクチュエータの先端に設けられる応力センサ
に利用することができ、さらには柔軟な物体の形状変化
や肌触りの測定、あるいは大面積の柔軟圧力分布の測定
などに有用な技術を提供する。
【0002】
【従来の技術】柔らかな被測定物の形状や肌触りなどを
測定するにはセンサ自体が柔軟体である必要がある。従
来は、応力を測る素子やフィルムなどを埋め込んだ柔軟
体をセンサとして用いていたが、柔軟性が損なわれるだ
けでなくこわれやすくなり、精度を上げるには素子など
の小型・集積化が必要となり、構造が複雑になってしま
うという問題があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、柔軟体の内
部に応力検出用の素子やフィルムのような柔軟性を損な
うおそれのある要素を埋め込む必要がなく、また配線も
不要で、シンプルな構造を用いて、柔軟体内部の応力を
高精度に検出可能にすることを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の原理は、柔軟体
の内部に設けた球形空洞の共鳴周波が、球形空洞の応力
による形状歪みに敏感に反応して変化し、その共鳴周波
数の変化率からその球形空洞にかかる応力が求められる
ことに基づいている。
【0005】図1は、本発明の原理説明図である。図1
において、1は被測定物であり、たとえばタッチ圧力を
検出する対象である。
【0006】2は柔軟体であり、たとえばシリコンゴム
などの導性体である。3は柔軟体2内に形成された球形
空洞である。4,5は音波を伝送するための導管であ
る。
【0007】6は音波発信器である。7は音波受信器で
ある。8は共鳴スペクトル検出部である。
【0008】9は応力テンソル演算部である。ここで導
管4,5の径は任意であるが、柔軟体2の下面の音波発
信器6及び音波受信器7との接合部から球形空洞3との
接合部にかけて、滑らかに狭められ、特定の周波数で好
ましくない反射が起きないようにされている。また球形
空洞3との接合部の径は球形空洞3の径に比べて十分に
小さいものとし、空洞の共鳴周波数に対する影響を無視
できるようにする。
【0009】いま音波発信器6から導管4を介して、球
形空洞3の径と同程度の波長をもつ音波を送信し、他方
の導管5を介して、音波受信器により音波を受信する。
一般には、導管4,5と球形空洞3の境界部におけるイ
ンピーダンスの著しいミスマッチングによって、音波受
信器7で観測される信号は非常に小さい。ところが球形
空洞壁を音圧の腹とする共鳴周波数においては、このミ
スマッチングが解消され、損失のない理想的な場合には
二つの導管4,5を直接結合した場合と同様な強い音波
が観測される。この共鳴周波数は空洞の形状のみによっ
て決まるため、その周波数から空洞の多自由度変形特徴
(空洞が任意の方向にラグビーボール状に変形すると
き、そのボールの大きさと形状)が得られる。換言すれ
ば空洞周囲応力テンソルの3つの固有値(主応力)を取
得することになる。以下にこの点をさらに詳しく説明す
る。
【0010】球形空洞の共鳴モード はじめに、球形空洞の共鳴モードについて説明する。図
1において、二つの導管4,5の存在を無視すると、球
形空洞内部の空気の音圧は以下の微分方程式と境界条件
を満足する。
【0011】
【数1】
【0012】ただし上式において、pは音圧、γ,θ,
φは球中心を原点とした極座標であり、cは音速であ
る。また下段の式は空洞壁において壁の法線方向に音圧
勾配が存在しないことを表している。これらの微分方程
式の一般解は、次式
【0013】
【数2】
【0014】および(1)式下段を満たすpi の線形和
として、次式
【0015】
【数3】
【0016】のように与えられる。(2)式の解は離散
的なεi >0に対してのみ解をもつが、その解pi を共
鳴モード、次式
【0017】
【数4】
【0018】で与えられる周波数ωi をその共鳴周波数
と呼ぶことにする。ここで特に最低次のモード(最も共
鳴周波数の低いモード)は図2のように3重縮退してい
る(同一の共鳴周波数をもつ3つの独立な解p1
2 ,p3 が存在する)。空洞が真球である場合には、
球中心が座標原点に一致し、方向は任意である極座標を
用いてそれら3つのモードは、次式
【0019】
【数5】
【0020】のように書かれる(証明略)。図2(a)
は、主に上下方向に空洞が振動し、球の上下で音圧の絶
対値が最大、白黒の境目で音圧の正負が切り替わるモー
ドを図示したものであるが、実際に起こるべく振動はど
の方向でも解として許され、それらのいずれもがp1
2 ,p3 の線形和で書かれる。
【0021】空洞変形と3重縮退の分離 次に、3重縮退されている共鳴周波数が空洞変形により
分離することについて説明する。
【0022】いま空洞周囲に一様な応力が加わり、空洞
が変形することを想定してみる。図2(b)は応力の主
軸に沿って直交座標軸をとり、変形した空洞を図示した
ものである。このとき真球の場合不定であったモードの
方向は変形主軸の方向に決定され(証明略)、各モード
は、一般に異なる共鳴周波数f1 ,f2 ,f3 をもつこ
とになる。
【0023】変形が微小である場合、各軸方向への空洞
の伸び率(μ1 ,μ2 ,μ3 )と各モードの共鳴周波数
の変化率(μ1 ,μ2 ,μ3 )は、次式
【0024】
【数6】
【0025】のように結ばれる(証明略)。また空洞周
囲に一様応力(σ1 ,σ2 ,σ3 )が加わった場合、そ
れと空洞の伸び率との関係は、弾性理論によって、次式
【0026】
【数7】
【0027】のように計算される。ただしEは材質のヤ
ング率、νはポアソン比である(証明略)。(5),
(6)式より、結局応力テンソルの3つの固有値
(σ1 ,σ2 ,σ3 )と対応する共鳴周波数の変化率
(μ1 ,μ2 ,μ3 )は、次式
【0028】
【数8】
【0029】のように結ばれる。ポアソン比ν=0.5の
とき、上式は次式により常に安定な逆変換が可能であ
る。
【0030】
【数9】
【0031】したがって、球形空洞の共鳴スペクトルを
検出して共鳴周波数の変化率(μ1,μ2 ,μ3 )を求
め、上式(8)を演算することにより、対応する応力
(σ1,σ2 ,σ3 )が得られる。
【0032】
【発明の実施の形態】図3は、本発明による柔軟体応力
センサの1実施例の断面を示す。柔軟体2はシリコンゴ
ムで作られ、厚さは34mmである。球形空洞3の径は6
mmであり、その中心は柔軟体2の上面(センサ表面)か
ら9mmの深さのところにある。また導管4,5の最も太
い垂直部分の径は0.8mmであり、球形空洞に近づくにつ
れて次第に細くなり、球形空洞との接合部での径は0.
1mmある。
【0033】図4に示すグラフは、センサ表面に何も触
れていないときの音波発信器4の入力から音波受信器5
の出力までの超音波伝達特性を記録したものである。球
形空洞3の半径3mmから理論的に予想される最低次モー
ドの共鳴周波数38kHz付近に鋭いピークが観測され
る。グラフからその共鳴Qは130程度と読み取れる。
【0034】図5(a)に示すグラフは、センサ表面に
柔軟体2と同様な伝達特性をもつ直径3mmの円柱を、球
形空洞3の真上から0.5mm押し込んだ状態で超音波伝達
特性を記録したものである。
【0035】このとき、球形空洞3の周囲は一方向のみ
の応力を受け、縮退した各モードは応力の方向を向いた
モードとそれに直交したモードとに分離する。図5
(a)に示された伝達特性においてもそれが観測されて
いる。図5(b)のグラフは、センサ表面に直線的なエ
ッジを押し当てた場合について示したものである。この
場合にはモードが3つに分離している様子が見てとれ
る。
【0036】次に、特徴的な広がりをもつ対象物をセン
サ表面に押し当てていったときの各モードの共鳴周波数
の分離の様子をプロットしていった結果を図6に示す。
図6(a)は、センサ表面にピンを押し込んでいった場
合の押し込み深さdと共鳴周波数の関係を示している。
直径3mmのピンを0.1mm程度押し込むことによって共鳴
周波数の分離がはっきり観測された。接触点と空洞を結
んだ方向に空洞がつぶされていく結果、つぶれた方向に
振動しているモードの共鳴周波数が上昇し、それと直交
した振動モードの共鳴周波数は減少していく様子が見て
とれる。
【0037】図6(b)は、センサ表面にエッジを押し
当てていった場合の押し込み深さdと共鳴周波数の関係
を示している。この場合には、空洞からエッジを眺める
方向に振動するモードの共鳴周波数が上昇して、空洞と
直線を含む平面と直交する方向の共鳴周波数は減少し、
残りの振動モードはそれらの中間的な振る舞いをする。
【0038】最後に図6(c)は、直径5cmの円盤を押
し当てた場合のものである。この場合には、全てのモー
ドが上昇傾向にある。ここでは空洞真上に軸対称な円盤
を垂直に接触させたため、共鳴周波数は2つにしか分離
しない。
【0039】これらに見られるように、表面に接触させ
る対象物の広がりによって共鳴周波数は特徴的に振る舞
うことがわかる。これらの周波数の変化を空洞周囲応力
の主応力に換算し、表示し直したものが図7のグラフで
ある。図7(a)に示す点接触の場合においてはただ一
つの主応力がゼロでない値をもち、図7(b)に示す線
接触の場合においては2つの主応力がゼロでない値をも
ち、図7(c)に示す面接触の場合においては全ての主
応力がゼロでないという傾向がはっきりとあらわれてい
る。ただしここでは前記した(8)式そのままではな
く、空洞直上点接触において第2,第3主応力が0とな
るようにパラメータを調整した以下の実験的な変換式を
用いている。
【0040】
【数10】
【0041】図8は、点,線,面の様々な対象を様々な
位置に接触させたときに検出された共鳴周波数から周囲
応力の固有値(主応力)を求め、最大固有値に対する第
2,第3固有値の比(2nd/1st,3nd/1st)で張ら
れる空間にプロットしたものである。表面接触の広がり
が、理論どおりに固有値の構成に反映されている様子が
見てとれる。このことはテンソルセルが正確に応力テン
ソルの固有値を検出し、そこから直接的にセンサ表面で
の接触広がり特徴を捉えることが可能であることを示し
ている。プロットのばらつきの主要因は球形空洞の大き
さが有限であるために導入した(9)式が、セル直上の
垂直力以外、厳密には成り立たないためである。
【0042】ところで先端が曲面の対象物がセンサに接
触する場合、その接触広がりは押し込みの深さによって
変化する。曲率半径10cm程度の滑らかな球状面を押し
当てていった場合に観測された主応力の変化を、図9に
示す。はじめに点であった接触面が、押し込み深さdと
ともに広がっていく様子が、第2固有値の上昇から見ら
れる。
【0043】
【発明の効果】本発明によれば、柔軟体内部に柔軟体の
柔軟性を損なうようなセンサ要素や配線などを設ける必
要なしに、製作容易で頑強かつ構造が簡単な柔軟体触覚
センサを実現することができ、また触覚計測に限らず、
柔軟体の多自由度計測や、分布力覚センサへの応用も可
能であり、特に柔軟な自然物などの対象にフィットして
その形状、運動を適確に計測するシステムにおいて有効
なものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図である。
【図2】空洞変形の前後における最低次モードの共鳴周
波数の縮退と分離を示す説明図である。
【図3】本発明による柔軟体応力センサの1実施例の断
面図である。
【図4】球形空洞を経由する音波発信器から音波受信器
までの伝達関数を示すグラフである。
【図5】点接触及び線接触における音波発信器から音波
受信器までの伝達関数を示すグラフである。
【図6】点接触、線接触及び面接触における共鳴周波数
対押し込み深さのグラフである。
【図7】3種類の対象物による点接触、線接触及び面接
触において観測された空洞周囲応力対押し込み深さのグ
ラフである。
【図8】3種類の対象物による点接触、線接触及び面接
触における主応力の最大固有値に対する第2固有値、第
3固有値の各比をプロットしたグラフである。
【図9】先端が曲面の対象物を押し当てた場合に観測さ
れた主応力対押し込み深さのグラフである。
【符号の説明】
1:被測定物 2:柔軟体 3:球形空洞 4、5:導管 6:音波発信器 7:音波受信器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 柔軟体の内部に空洞を設け、該柔軟体の
    内部に応力がかけられたときの該空洞の共鳴周波数の変
    化率を測定し、測定された共鳴周波数の変化率と空洞周
    囲応力テンソルとに基づき上記柔軟体内部の応力を検出
    することを特徴とする柔軟体応力計測方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、柔軟体内部に設けら
    れる空洞と柔軟体表面との間を導管により結合し、該導
    管を介して柔軟体表面から空洞への音波の送出及び空洞
    内の音波の柔軟体表面への取り出しを行うことを特徴と
    する柔軟体応力計測方法。
JP25859996A 1996-09-30 1996-09-30 柔軟体応力計測方法 Pending JPH10104091A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007526473A (ja) * 2004-03-04 2007-09-13 セントレ ナシオナル デ ラ ルシェルシェ シエンティフィーク セエヌエールエス 摩擦音響センサ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007526473A (ja) * 2004-03-04 2007-09-13 セントレ ナシオナル デ ラ ルシェルシェ シエンティフィーク セエヌエールエス 摩擦音響センサ
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