JPWO2007083546A1 - 触覚センサ装置 - Google Patents

Abstract

測定対象物の固さを精度良く検出する。センサ本体４は空気圧源６と空気管路８を介して接続されており、空気管路８には空気圧調整手段１０が設けられる。空気圧調整手段１０によりセンサ本体４のダイヤフラム２６に設けられた半導体歪検出素子１２は、測定対象物３６の固さに応じた電圧を出力する。信号処理回路１４は、出力値より測定対象物３６の固さに関連する値を抽出し、出力する。

Description

本発明は、測定対象物との接触状態における様々な物理量を測定する触覚センサ装置に関するものである。

近年、高機能ロボットの開発が進み、これに伴い、ロボットの指先等に用いることのできる高感度の触覚センサが開発されてきている。この高感度の触覚センサは、測定対象物との接触状態において、人間の指先の感覚と同様の情報を検知することが必要とされる。従来より開発されている触覚センサは、測定対象物の固さに関する情報を検知するもの（下記非特許文献１および非特許文献２）や、測定対象物の接触力を検知するもの（下記特許文献１）が知られている。
M. Shikida, T. Shimizu, K. Sato, and K. Itoigawa, "Active tactile sensor for detecting contact force and hardness of an object", Sensors and Actuators A, 103, pp.213-218,2003 Y. Hasegawa, H. Sasaki, T. Ando, M. Shikida, K. Sato, and K. Itoigawa, "Multifunctional Active Tactile Sensor using Magnetic Micro Actuator," Proc, IEEE MEMS2005, pp275-278, Miami USA, 2005 特開２００４−１６３１６６号公報

非特許文献１および非特許文献２は、測定対象物の固さ情報を検知する触覚センサであり、触覚センサから過渡的な入力を測定対象物に与え、その入力に対する応答特性を検知し、測定対象物の固さを検知するものである。また、特許文献１は、薄膜よりなるダイヤフラム構造の触覚センサにある一定の圧力をかけておき、測定対象物との接触によって変形したダイヤフラム表面の応力を検出し、測定対象物との接触力（あるいは測定対象物の形状）を検知するものである。

しかしながら、上述した従来技術には以下に述べる問題があった。非特許文献１および非特許文献２は、過渡的な入力に対する出力信号より測定対象物の固さ情報を検出するものであるが、測定対象物の固さによって発生する出力信号の応答特性が異なるため、正確な固さ情報を検知することが困難であった。すなわち、触覚センサからの入力信号に応答する出力信号の特性は、測定対象物の固さに応じて急激に立ち上がったり、緩やかに立ち上がったりするが、出力信号に交流成分ノイズが重畳した場合には、固さ情報による信号とノイズとの判別が困難であった。また、特許文献１の触覚センサは、測定対象物との接触力を検出するものであり、測定対象物の固さ情報を検知することができないものであった。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、入力信号に応答する信号を出力信号から抽出して検知することにより、精度良く固さ情報を検知することのできる触覚センサ装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１に係る発明は、所定の密閉空間を形成する空気室と、前記空気室の圧力を調整する空気圧調整手段と、前記空気室の隔壁の一部を形成し、前記空気室の空気圧の変化に伴い撓むことが可能なダイヤフラムと、前記ダイヤフラムが撓む部分に配置される力検出素子と、前記力検出素子の出力信号から所定の信号を抽出する信号処理回路とを備え、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触した状態で、接触状態に関する物理量を測定する触覚センサ装置において、前記空気圧調整手段は、前記空気室の圧力値が振動変化するように空気圧を調整するものであり、前記信号処理回路は、空気室の圧力値が振動変化したことによる前記力検出素子の信号を検出し、測定対象物の固さに関する値として出力することを特徴とする触覚センサ装置によって構成される。上記の構成によれば、ダイヤフラムが測定対象物に接触した状態において、空気室の圧力値が振動変化させられ、これによってダイヤフラムは微小に振動するが、測定対象物からの反発力を力検出素子により検出することができる。測定対象物の固さが固いほどダイヤフラムへの反発力が大きくなるため、力検出素子の出力より測定対象物の固さを検出することができる。本発明では、空気圧を振動変化させ、その反発力を力検出素子で得るものであるが、空気圧の振動の周波数は予め分かっているため、力検出素子の出力から当該周波数の信号を抽出することは容易である。したがって、従来の触覚センサに比べ、高周波ノイズが少ない出力値を得ることができ、精度良く接触対象物の固さに関する値を検出することができる。

ここで、所定の密閉空間を形成する空気室は、完全な密閉空間としても良いし、空気室に空気圧源が接続されて密閉空間を形成しても良い。また、空気室の圧力を調整する空気圧調整手段は、空気室が密閉空間の場合は、密閉空間の体積を変化させることにより、空気室の空気圧を調整することとしても良いし、空気室が空気圧源に接続されたものである場合は、空気室と空気圧源の間の空気管路の流路面積を可変させて空気室の空気圧を調整することとしても良い。また、ダイヤフラム上に設けられる力検出素子は、ダイヤフラムの空気室側に設けられても良いし、ダイヤフラムの測定対象物側に設けられても良い。また、力検出素子は、ダイヤフラムが撓む部分に及ぼされる力を検出することができる素子であれば良く、例えばピエゾ素子等の半導体歪検出素子、ひずみゲージ、静電容量式コンデンサ等を用いることができる。特に、静電容量式コンデンサを用いた場合は、力検出素子の検出感度を向上させることができる。

また、本発明はさらに、前記信号処理回路は、空気室の圧力値が振動変化したことによる前記力検出素子の信号の振幅の大きさを検出し、測定対象物の固さに関する値として出力することを特徴とするように構成することもできる。この構成によれば、力検出素子の出力値の振幅の大きさは、測定対象物の固さに応じて変化するため、振幅の大きさを検出することにより、測定対象物の固さを検出することができる。

また、本発明はさらに、前記信号処理回路は、空気室の圧力値が振動変化したことによる前記力検出素子の信号の周波数を検出し、測定対象物の固さに関する値として出力することを特徴とするように構成することもできる。この構成によれば、力検出素子の出力値の大きさは、空気圧振動の周波数に応じて変化するが、空気圧振動の周波数が測定対象物の表面が弾性振動する際の固有周波数と一致した場合、力検出素子の出力値が大きくなる。したがって、そのときの周波数を特定することにより、測定対象物の固さを検出することができる。

また、本発明はさらに、前記信号処理回路は、空気室の圧力値が振動変化したことによる前記力検出素子の信号の振幅の大きさ及び周波数を検出し、測定対象物の固さに関する値として出力することを特徴とするように構成することもできる。この構成によれば、力検出素子の振幅の大きさと周波数の両方から測定対象物の固さを検出することができるため、精度良く測定対象物の固さを検出することができる。

また、本発明はさらに、前記空気圧調整手段は、前記空気室の圧力を所定の圧力値を中心として圧力値が振動するように変化させるものであり、前記信号処理回路は、力検出素子の出力信号から、所定の周波数成分を抽出することにより、測定対象物の押圧力に関する値と固さに関する値を出力するものであるように構成することもできる。この構成によれば、測定対象物の固さに関する値と押圧力に関する値の両方を同時に検出することができるため、容易に測定対象物の接触状態を検出することができるようになる。

また、本発明はさらに、前記信号処理回路は、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の力検出素子の出力信号の変化度合いより、前記測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力を検出することを特徴とするように構成することもできる。この構成によれば、ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の微弱押圧力を精度良く検出することができるようになる。また、本発明はさらに、前記信号処理回路は、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の力検出素子の出力から、前記空気室の圧力の振動の周波数に基づいて抽出される交流成分より、前記測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力を検出することを特徴とするように構成することもできる。この構成によれば、空気室の圧力の振動周波数によって出力信号から微弱押圧力が抽出されるため、精度良く微弱押圧力を検出することができる。

また、本発明はさらに、前記信号処理回路は、前記信号処理回路により抽出された交流成分から、前記空気室の圧力の振動と同位相の信号より前記測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力に関する信号を検出し、前記空気室の圧力の振動と逆位相の信号より前記測定対象物の固さに関する信号を検出することを特徴とするように構成することもできる。この構成によれば、出力信号の空気室の圧力と同位相の信号に基づき微弱押圧力が検出され、空気室の圧力と逆位相の信号に基づき固さが検出されるため、位相を用いて両者の信号を抽出することで、精度良く微弱押圧力および固さを検出することができる。
また、本発明はさらに、前記力検出素子は、前記ダイヤフラムの測定対象物と接触する面と反対の面に設けられることを特徴とするように構成することもできる。この構成によれば、力検出素子が測定対象物に接触することが無いため、力検出素子が測定対象物と接触して破損することを防止できる。

また、本発明はさらに、前記力検出素子は、前記ダイヤフラムの表面付近に集積化して設けられることを特徴とするように構成することもできる。この構成によれば、ダイヤフラム上に複数の力検出素子が集積化されて設けられるため、測定対象物の局所的な固さ分布や、測定対象物の局所的な押圧力分布を検出することができる。なお、力検出素子がダイヤフラムの表面付近に集積化される場合は、ダイヤフラムの測定対象物側の表面付近でも良いし、ダイヤフラムの空気室側の表面付近でも良い。また、力検出素子をダイヤフラムの測定対象物側表面付近に集積化する場合は、力検出素子を何らかの保護材で覆い、測定対象物等の接触による破損を防止することが望ましい。

また、本発明は、所定の密閉空間を形成する空気室と、前記空気室の圧力を調整する空気圧調整手段と、前記空気室の隔壁の一部を形成し、前記空気室の空気圧の変化に伴い撓むことが可能なダイヤフラムと、前記ダイヤフラムが撓む部分に配置される力検出素子と、前記力検出素子の出力信号から所定の信号を抽出する信号処理回路とを備え、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触した状態で、接触状態に関する物理量を測定する触覚センサ装置において、前記空気圧調整手段は、前記空気室の圧力値が振動変化するように空気圧を調整するものであり、前記信号処理回路は、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の力検出素子の出力信号の変化度合いより、前記測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力を検出することを特徴とする触覚センサ装置として構成することもできる。この構成によれば、ダイヤフラムは空気圧値の振動により微小に振動させられ、ダイヤフラムが測定対象物に接触する前の段階では、最もダイヤフラムが大きく振動しているため、この状態の力検出素子の出力値は大きいものとなる。その後、ダイヤフラムへ測定対象物が接触すると、ダイヤフラムの振動は規制され、力検出素子の出力値が急激に減少する。したがって、この状態における力検出素子の出力値変化を検出することで、ダイヤフラムへの測定対象物の微弱押圧力を精度良く検出することが可能となる。

また、本発明は、所定の密閉空間を形成する空気室と、前記空気室の圧力を調整する空気圧調整手段と、前記空気室の隔壁の一部を形成し、前記空気室の空気圧の変化に伴い撓むことが可能なダイヤフラムと、前記ダイヤフラムが撓む部分に配置される力検出素子と、前記力検出素子の出力信号から所定の信号を抽出する信号処理回路とを備え、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触した状態で、接触状態に関する物理量を測定する触覚センサ装置において、前記空気圧調整手段は、前記空気室の圧力値が振動変化するように空気圧を調整するものであり、前記信号処理回路は、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の力検出素子の出力信号の変化度合いより、前記測定対象物がダイヤフラムへ接触している状態か接触していない状態かを判別することを特徴とする触覚センサ装置によって構成される。この構成によれば、ダイヤフラムが測定対象物に接触した状態であるか否かを精度良く検出することができる。

本発明によれば、ダイヤフラムの力検出素子の出力信号より測定対象物の固さに関する値を精度良く検出することが可能となる。また、測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力の大きさも精度良く検出することができる。

本発明に係る第１実施形態の触覚センサ装置２の概略を示す全体構成図である。 本発明に係る第１実施形態のセンサ本体４の構成を示す斜視図である。 本発明に係る第１実施形態の半導体歪検出素子１２の構成を示す平面図である。 本発明に係る第１実施形態の触覚センサ装置２の検出原理を説明するための模式図である。 本発明に係る第１実施形態の触覚センサ装置２の検出原理を説明するグラフである。 本発明に係る第１実施形態の信号処理回路１４の信号の抽出方法を説明するためのグラフである。 本発明に係る第１実施形態の触覚センサ装置２によって、押圧力を測定した結果を示すグラフである。 本発明に係る第１実施形態の触覚センサ装置２によって、固さを測定した結果を示すグラフである。 本発明に係る第２実施形態の触覚センサ２装置の概略を示す全体構成図である。 測定対象物３６の持つ固有周波数に対する固さを示すグラフである。 本発明に係る第３実施形態の触覚センサ装置２の概略を示す全体構成図である。 本発明に係る第３の実施形態において、押圧力に対する出力電圧の変化を示すグラフである。 本発明に係る第３の実施形態の微弱押圧力及び固さ検出手段４２の構成を説明する図である。

符号の説明

２ 触覚センサ装置
４ センサ本体
６ 空気圧源
８ 空気管路
１０ 空気圧調整手段
１２ 半導体歪検出素子
１４ 信号処理回路
２６ ダイヤフラム
３０ 空気室
３６ 接触対象物
４０ 固有周波数特定手段
４２ 微弱押圧力及び固さ検出手段

本発明を実施するための実施の形態について以下に詳細に説明する。図１は、本発明が適用された第１の実施形態の全体構成を説明するための図である。触覚センサ装置２は、測定対象物に接触し、接触状態に応じた信号を出力するセンサ本体４を備えている。センサ本体４には空気圧源６が空気管路８を介して接続されている。また、空気管路８の途中には、空気圧源６からセンサ本体４に及ぼされる空気圧の大きさを調整する空気圧調整手段１０が設けられている。

空気圧調整手段１０は、空気圧源６からセンサ本体４に及ぼされる空気圧の大きさを調整するものであり、空気圧の大きさを一定の大きさとすることもできるし、空気圧の大きさを、ある一定圧を中心として、所定の振幅かつ所定の周波数をもって振動するような大きさとすることもできる。このような空気圧の大きさを、本実施形態では、Ｐ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣと表現する。空気圧Ｐ_ＤＣは、一定の大きさの空気圧を示し、空気圧の大きさ成分の直流成分（ＤＣ成分）とみなすことができる。また、Ｐ_ＡＣは、振幅Ｐ_ＡＣの大きさで所定の周波数（例えば、周波数ｆ_１）で振動する空気圧の交流成分（ＡＣ成分）とみなすことができる。なお、上記の空気圧は、後述するダイヤフラム２６内の空気室３０の空気圧を意味する。

なお、ダイヤフラム２６内の空気室３０の空気圧の変化は、Ｐ_ＤＣを中心としてＰ_ＡＣの振幅をもって振動させられれば良く、空気室３０の空気圧が、Ｐ_ＡＣの振幅を持つ正弦波状に変化させられても良いし、Ｐ_ＡＣの振幅を持つ三角波状あるいは方形波状に変化させられても良い。

センサ本体４は、測定対象物の接触状態に応じた信号を出力する半導体歪検出素子１２と、半導体歪検出素子１２の出力信号を処理する信号処理回路１４を備えている。半導体歪検出素子１２は、ピエゾ抵抗素子より構成される半導体材料からなる素子であり、外部から及ぼされる力に応じて電圧を発生する回路の一部として構成される。信号処理回路１４は、半導体歪検出素子１２の出力信号から、周波数に応じて特定の信号を抽出するものであり、抽出された信号を外部に出力するものである。具体的には、半導体歪検出素子１２の出力信号から、非常に低い周波数の領域の信号（直流成分）を測定対象物の押圧力（接触力）に関する信号として抽出し、これを出力する。また、信号処理回路１４は、半導体歪検出素子１２の出力信号より、予め決められたある周波数（ｆ_１）付近の信号を測定対象物の固さに関する物理量として抽出し、出力する。なお、信号処理回路１４が抽出する信号の周波数は様々な値に設定することができ、空気圧調整手段１０のＰ_ＡＣ成分の周波数がｆ_１からｆ_０に変更された場合は、信号処理回路１４の抽出に用いる周波数もｆ_０に変更される。なお、信号処理回路１４には、空気圧調整手段１０から信号線１５が接続され、空気圧調整手段１０で調整する空気圧振動（Ｐ_ＡＣ）の検波の位相とタイミングを知るための信号が送信される。信号処理回路１４では、周波数ｆ_１付近の信号を抽出するために、信号線１５の信号が用いられる。

次に、図２を用いてセンサ本体４の構造について説明する。図２は、センサ本体４を測定対象物と接触する側から見た斜視図であり、センサ本体４の説明を行い易くするために、一部を断面図として示している。

センサ本体４は、単結晶シリコン基板を既知の集積化技術、エッチング技術を用いて加工されるものであり、センサ本体４の４つの辺の周縁部には、支持基板２２が形成されている。支持基板２２は、十分な厚さを持ち、センサ本体４の骨格として働くものである。支持基板２２は、測定対象物による押圧力がセンサ本体４に及ぼされた場合でも、ある程度の剛性をもって後述するダイヤフラム２６を支持する。また、支持基板２２の上面付近には、信号処理回路１４が形成されており、既知の集積化技術により所望の機能を持つ回路を構成している。

また、支持基板２２の内方側でかつ、センサ本体４の上面側（測定対象物側）には、ダイヤフラム２６が設けられている。ダイヤフラム２６の形成の仕方の一例を以下に示す。シリコンウエハの下面側に、集積化技術を用いて半導体歪検出素子１２および信号処理回路１４を形成する。次に、シリコンウエハの下面側に、ダイヤフラム２６と対向する部分に窪みを有する別のシリコンウエハを接合する。その後、ダイヤフラム２６の上面側からシリコンウエハを削ることで、所望の厚さのダイヤフラム２６およびダイヤフラム２６下面側に半導体歪検出素子１２が形成されるのである。ダイヤフラム２６は測定対象物と接触することで変形する程度に薄く形成されれば良く、ダイヤフラムの厚さは１０μｍには限られない。また、ダイヤフラム２６の外縁側端部は支持基板２２と密着しており、ダイヤフラム２６と支持基板２２との間においては、空気のリークは無い。なお、ダイヤフラム２６の表面積は、測定対象物の大きさやダイヤフラム２６に構成される半導体歪検出素子１２の集積数や大きさに応じて適宜設計されるものである。また、ダイヤフラム２６の形状は、図２では四角形（正方形）としたが、形状はこれに限らず、測定対象物の形状や集積化する半導体歪検出素子１４の集積数や形状により適宜設計されるものであり、ダイヤフラム２６の形状を長方形としたり、円形としたり、任意の形状とすることもできる。

また、ダイヤフラム２６の下面側（測定対象物側と反対側）の表面付近には、半導体歪検出素子１２が形成されている。半導体歪検出素子１２は、既知の集積化技術を用いてダイヤフラム２６の表面に形成されるものであり、本実施形態ではｎ型拡散抵抗を利用したピエゾ抵抗素子を用いて形成されている。なお、半導体歪検出素子１２は、本実施形態では、ダイヤフラム２６上に、縦６個×横６個の３６個形成されている。なお、ダイヤフラム２６上に形成される半導体歪検出素子１２の個数は、測定対象物に対する面方向の必要な分解能に応じて適宜設定される。

支持基板２２の下方側の面には、カバー２８が密着した状態で配置されている。カバー２８は支持基板２２の下面およびダイヤフラム２６に形成された半導体歪検出素子１２を下側から覆うように配置されている。したがって、図２に示すように、支持基板２２、ダイヤフラム２６およびカバー２８によって空気室３０が形成されている。また、カバー２８の略中央部には、外部から空気を供給するための孔が形成されており、この孔に空気管路８が接続され、空気圧源６からの空気が供給される。

次に図３を用いて、半導体歪検出素子１２の構成について説明する。図３は半導体歪検出素子１２の構成を説明するための平面図である。半導体歪検出素子１２には、縦方向ピエゾ抵抗３２と横方向ピエゾ抵抗３４が設けられており、それぞれの抵抗の抵抗値変化によって回路中で発生する電圧（以下、出力電圧）は、電極３５より検出され、図２の信号処理回路部１２に出力される。

次に図４および図５を用いて、本実施形態の触覚センサ装置２の検出原理について説明する。図４は、本実施形態の触覚センサ装置２の検出原理を説明するための模式図であり、図５はセンサ本体４の内圧変化による半導体歪検出素子１２の出力変化を説明するための図である。図４において、センサ本体４の空気室３０の内圧は、空気圧源６および空気圧調整手段１０を用いて制御される。

ダイヤフラム２６と測定対象物３６が図４のように接触した状態において、空気室３０の内圧は、空気圧調整手段１０により、Ｐ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣとなるように制御される。Ｐ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣの変化の様子を図５に示す。なお、Ｐ_ＡＣの振幅で空気圧を振動させる場合の振動数（周波数）はｆ_１としている。

ダイヤフラム２６内の圧力が変化すると、ダイヤフラム２６に形成された半導体歪検出素子１２の出力電圧が測定対象物３６の押圧力および固さに応じて変化する。ダイヤフラム２６に設けられた半導体歪検出素子１２は、図５に図示されているように、ある電圧値を中心として所定の振幅をもって振動する電圧の波形を出力する。この出力波形は、測定対象物３６の押圧力による一定の電圧値の成分（直流成分）と、測定対象物３６の固さによる電圧値の振動成分（交流成分）が重畳したものと考えることができる。

図４を用いて測定対象物３６の固さの検出原理について詳説する。図４に示すように、空気室３０の内圧をＰ_ＡＣの振幅で振動させる場合は、Ｐ_ＡＣの内圧がダイヤフラム２６に力を及ぼすため、ダイヤフラム２６はバネ定数ｋｓの弾性体より力を受けた状態とみなせる。なお、バネ定数ｋｓの弾性体より受ける力は、ダイヤフラム２６の半導体歪検出素子１２の位置に関係なく、一定である。一方、測定対象物３６の固さが局部的に異なる場合は、図４のようにそれぞれ、ｋｘ１、ｋｘ２、ｋｘ３、ｋｘ４のバネ定数の弾性体より力を受けることになる。ダイヤフラム２６に設けられた半導体歪検出素子１２は、測定対象物３６の各位置におけるバネ定数に応じた力を受けることになる。バネ定数に応じた力は、バネ定数が大きい位置では、バネ定数が小さい位置よりも大きいものとなる。

したがって、図５に示すように、半導体歪検出素子１２の出力電圧のうち、電圧の振動成分の振幅の大きさは、測定対象物３６の固さに依存して変化するものと考えられる。また、半導体歪検出素子１２の出力信号の振動は、上述したように、振幅Ｐ_ＡＣの空気圧の変動により発生するため、半導体歪検出素子１２の振動周波数は、Ｐ_ＡＣの周波数ｆ_１と一致する。

したがって、半導体歪検出素子１２の出力電圧から、直流成分である信号を抽出することにより、測定対象物３６の押圧力を検出することができ、また、半導体歪検出素子１２の交流成分の信号の大きさを抽出することにより、測定対象物３６の固さを検出することができる。

次に、図６を用いて、半導体歪検出素子１２の出力電圧から、測定対象物３６の押圧力と固さの出力をそれぞれ抽出する方法について説明する。図６は、半導体歪検出素子１２の出力電圧を周波数に応じて抽出する方法を説明するための図である。図６において、半導体歪検出素子１２の出力中の直流成分は、ローパスフィルタを用いて抽出することができる。このローパスフィルタにより抽出された信号スペクトルの大きさは、ダイヤフラム２６に測定対象物３６より及ぼされた押圧力として検出することができる。一方、半導体歪検出素子１２の出力に含まれる交流成分は、半導体歪検出素子１２の出力から、Ｐ_ＡＣの周波数である周波数ｆ_１の成分を通過させるバンドパスフィルタにより抽出することができる。このバンドパスフィルタにより抽出された信号スペクトルの大きさは、ダイヤフラム２６と接触する測定対象物３６の固さに関する値とすることができる。なお、バンドパスフィルタの中心周波数は、Ｐ_ＡＣの周波数ｆ_１として予め分かっているため、半導体歪検出素子１２の出力信号から容易に周波数ｆ_１で振動する成分の信号を抽出することができる。

次に、本実施形態の触覚センサ装置２を用いて、測定対象物３６の押圧力を測定した結果について図７を用いて説明する。図７は、ダイヤフラム２６内の空気圧Ｐ_ＤＣを５．０ｋＰａから６４．１ｋＰａまで変化させて、測定対象物３６からの押圧力に対する半導体歪検出素子１２の出力電圧の直流成分（ＤＣ成分）の大きさを示すグラフである。図７より、例えば、Ｐ_ＤＣが５．０ｋＰａの時は、測定対象物３６の押圧力を約１５ｍＮ以下の領域では、半導体歪検出素子１２の出力の直流成分の大きさは、測定対象物３６の押圧力が大きくなるにつれて上昇する。しかしながら、測定対象物３６の押圧力が１５ｍＮ以上の領域では、半導体歪検出素子１２の出力の直流成分の大きさは略一定値となり、測定対象物３６の押圧力の増加に比例しない。また、空気室３０の空気圧を十分に大きくした場合（Ｐ_ＤＣ＝６４．１ｋＰＡ）では、測定対象物３６の押圧力の増加に対して、半導体歪検出素子１２の出力の直流成分の大きさは比例して増加し、測定対象物３６の押圧力に対応した大きさの出力信号となる。

上述の測定結果では、測定対象物３６の押圧力の増加に対して、半導体歪検出素子１２の出力の直流成分の大きさも増加した。したがって、半導体歪検出素子１２の出力の直流成分の大きさを検出することで、測定対象物３６の押圧力を精度良く検出することができる。また、測定対象物３６のダイヤフラム２６への押圧力の最大値が予め分かっている場合や、押圧力の最大値が予測できる場合は、半導体歪検出素子１２の出力の直流成分が、当該最大値まで押圧力の大きさに比例して出力されるように、ある程度大きな空気圧のＰ_ＤＣを選択することが望ましい。また、測定対象物３６の押圧力の最大値が予め分かっている場合は、むやみにＰ_ＤＣを大きな圧力の値とするのではなく、半導体歪検出素子１２の直流成分の値が、押圧力の最大値まで比例的に測定できる程度のＰ_ＤＣを空気圧値とすることが望ましい。図７において、Ｐ_ＤＣ＝３５．１ｋＰａとＰ_ＤＣ＝６４．１ｋＰａの場合も、４０ｍＮ程度の押圧力を測定することが可能であるが、３５．１ｋＰａの場合の方が６４．１ｋＰａの場合に比べて、半導体歪検出素子１２の出力の分解能を高くすることができ、より精度良く測定対象物３６の押圧力を測定することができるのである。

次に、本実施形態の触覚センサ装置２を用いて、測定対象物３６の固さを測定した結果について図８を用いて説明する。図８は、３種類の固さの測定対象物３６を用いて触覚センサ装置２により、測定対象物３６の固さを検出した結果を示すグラフである。なお、測定対象物３６の固さは、０．５９ｍＮ／μｍ（プラスチック）、１．７２ｍＮ／μｍ（ゴム）、７．０４ｍＮ／μｍ（シリコンチューブ）の３種類を用いた。図８のＸ軸は測定対象物３６の固さを示す値であり、Ｙ軸は、半導体歪検出素子１２の出力から交流成分を抽出した出力電圧をＰＡＣの圧力振幅で除算したものである。測定対象物３６の固さ検出に関しては、図４乃至図６で説明したように、空気室３０の空気圧をＰ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣとし、振幅Ｐ_ＡＣの振動成分に対する信号を、半導体歪検出素子１２の出力波形から抽出して得たものである。

図８より、測定対象物３６の固さの種類に応じて、半導体歪検出素子１２の出力値が変化することがわかる。したがって、空気室３０の空気圧をＰ_ＡＣの振幅で振動させ、半導体歪検出素子１２の信号を抽出することで、測定対象物３６の固さを検出することができる。また、図８より分かるように、固さが０．５９ｍＮ／μｍの物と１．７２ｍＮ／μｍの物の検出結果の差異が、１．７２ｍＮ／μｍと７．０４ｍＮ／μｍの差異よりも大きく表れている。本実施形態の検出原理で述べたように、ダイヤフラム２６は振幅Ｐ_ＡＣの空気圧変動によって微小に振動させられるが、測定対象物３６が圧力Ｐ_ＤＣによって決まるダイヤフラム２６の表面の固さと比べて一定以上に固い場合は、測定対象物３６の反発力の差を区別することが困難となる。従って、測定対象物３６がダイヤフラム２６表面と比較して比較的柔らかい物であれば、固い物よりも、より精度良く測定対象物３６の固さを検出することができると考えられる。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態の触覚センサ装置２は、空気室３０にＰ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣの空気圧を与え、測定対象物３６から及ぼされる物理量を半導体歪検出素子１２で出力し、出力信号から所定の周波数の信号を抽出することで、精度良く測定対象物３６の押圧力と固さに関する値を検出することができる。本実施形態では、空気室３０の空気圧をＰ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣとすることで、測定対象物３６の押圧力と固さを同時に検出することができるため、測定対象物の押圧力と固さを別個独立の検出装置で検出する場合に比べ、容易に押圧力と固さを検出することができる。なお、第１の実施形態の触覚センサ装置２は、測定対象物３６の押圧力と固さ両方を検出することができるものであるが、これに限らず、本実施形態の触覚センサ装置２を、固さのみを検出するように変更しても良いし、押圧力のみを検出するように変更しても良い。

また、本実施形態の触覚センサ装置２は、半導体歪検出素子１２をダイヤフラム２６上に３６個並べて配置しているため、測定対象物３６の各位置についての押圧力と固さの分布状況を検出することができる。特に本実施形態の触覚センサ装置２は、センサ本体４の半導体歪検出素子１２を、半導体の集積化技術を用いて集積化しているため、容易に構成することができる。また、本実施形態の触覚センサ装置２は、ダイヤフラム２６をシリコン基板より形成し、ダイヤフラム２６の一部に半導体歪検出素子１２を設けるため、製造過程を一連の半導体加工技術とすることができ、加工に係る時間、コストを削減することができる。

また、本実施形態の触覚センサ装置２の半導体歪検出素子１２は、ダイヤフラム２６の測定対象物３６との接触面と反対側の面に設けられているため、半導体歪検出素子１２が測定対象物３６に接触して素子自体や素子の配線等が破損することを防止することができる。また、半導体歪検出素子１２が設けられるダイヤフラム２６の内側は、空気室３０となっており、外部から水分や埃が浸入する可能性が少ないため、半導体歪検出素子１２の破損を少なくすることができる。なお、本実施形態では、半導体歪検出素子１２をダイヤフラム２６の空気室３０側に配置させた構成としたが、これに限らず、半導体歪検出素子１２をダイヤフラム２６の測定対象物３６と接触する側に配置しても良い。この場合は、シリコンウエハの上面側に半導体歪検出素子１２と信号処理回路１４が形成され、下面側から所定の厚さのダイヤフラム２６が形成されるように、シリコンウエハがエッチングされる。なお、ダイヤフラム２６に半導体歪検出素子１２を集積化するにあたり、製造上の容易性からダイヤフラム２６の測定対象物３６側に半導体歪検出素子１２を配置する場合は、半導体歪検出素子１２の破損を防止するために何らかの被覆部材で覆うことが望ましい。また、本実施形態の触覚センサ装置２は、単結晶シリコン基板を加工して作製されるため、増幅回路、信号処理回路などを同じシリコン基板上に作製することができ、センサの集積化、小型化を実現することができる。なお、センサの集積化を実現するためには、触覚センサ２をシリコン基板上に加工することが望ましいが、これ以外にも、プラスチックフィルムでダイヤフラム２６を構成し、このプラスチックフィルム上にひずみゲージ等を貼りつけるようにしても良い。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、ダイヤフラム２６と測定対象物３６が接触した状態で、空気室３０の空気圧を振動させて出力電圧の振幅の大きさで測定対象物３６の固さを検出したが、第２の実施形態では、空気室３０の内圧の振動周波数を変化させて測定対象物３６の各位置の固有振動数を求め、測定対象物３６の固さを検出するものである。

図９に第２の実施形態の触覚センサ装置２の全体構成図を示す。なお、図２乃至図３については、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。図９において、センサ本体４は空気圧源６に空気管路８を介して接続され、空気圧調整手段１０はセンサ本体４の空気室３０の内圧を調整する。空気圧調整手段１０は、センサ本体４の空気室の空気圧をＰ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣＣとなるように制御するが、第２の実施形態では、振幅Ｐ_ＡＣで振動する空気圧の周波数ｆ_２を周波数ｆ_ａから周波数ｆ_ｚまで変化させる。周波数ｆ_ａから周波数ｆ_ｚまでの周波数範囲は、測定対象物３６の持つ固有周波数を含むものである。また、空気圧調整手段１０で設定されら周波数ｆ_２は、信号線３８を介して信号処理回路１４に伝達される。

測定対象物３６は、ダイヤフラム２６が接触した状態で周波数ｆ_２が与えられると振動するが、周波数ｆ_２が測定対象物３６の固有振動数になった場合、測定対象物３６は他の周波数よりも大きく振動する。この状態で測定対象物３６は、他の周波数の時よりもダイヤフラム２６に大きな反発力を及ぼすため、半導体歪検出素子１２の出力値より測定対象物３６の固有周波数の検出が可能となる。図１０に示すように、固有周波数は測定対象物３６の固さによって異なる値となるため、測定対象物３６の固有周波数を求めることで測定対象物３６の固さを検知することができるのである。

図９において、半導体歪検出素子１２の出力信号が信号処理回路１４に伝達される。信号処理回路１４は、第１の実施形態と同様に、出力信号の直流成分を抽出して測定対象物３６の押圧力として出力する。また、信号処理回路１４は、空気圧調整手段１０から得たＰ_ＡＣの周波数ｆ_２より、半導体歪検出素子１２の出力信号から周波数ｆ_２の信号を抽出して固有周波数特定手段４０に出力する。固有周波数特定手段４０は、信号処理回路１４から出力された各周波数の出力値の大きさを比較し、最も大きい周波数を固有周波数と特定する。さらに固有周波数特定手段４０は、特定された固有周波数より、図１０を用いて測定対象物３６の固さに関する値を特定し、固さに関する物理量を出力する。

したがって、第２の実施形態においては、測定対象物３６の押圧力に加え、測定対象物３６の固さを検出することができる。本実施形態においても、測定対象物３６の押圧力と固さを同時に検出することができるため、押圧力と固さを別個独立に検出する場合に比べて、検出が容易になる。

次に、第３の実施形態について図１１を用いて説明する。第３の実施形態についても、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略し、異なる構成について詳細に説明する。第１実施態様と同様に、センサ本体４は空気圧調整手段１０により、空気圧がＰ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣとなるように制御され、半導体歪検出素子１２の出力は信号処理回路１４に入力される。信号処理回路１４は、半導体歪検出素子１２の出力値の直流成分を抽出し、押圧力として出力する。また、信号処理回路１４は、半導体歪検出素子１２の出力信号からＰ_ＡＣの周波数の成分を抽出し、微弱押圧力及び固さ検出手段４２に出力する。また、空気圧調整手段１０の空気圧Ｐ_ＡＣの振動の位相とタイミングは、信号線４４を介して信号処理回路１４および微弱押圧力及び固さ検出素子４２に出力される。

微弱押圧力および固さ検出手段４２に入力される出力信号を図１２に示す。図１２において、Ｘ軸は測定対象物３６のダイヤフラム２６に対する押圧力であり、Ｙ軸は半導体歪検出素子１２の出力信号より信号処理回路１４によって抽出された信号の大きさを示している。図１２のグラフの測定にあたっては、ダイヤフラム２６に対する測定対象物３６の押圧力を０Ｎから徐々に増加させ、これに対して出力する半導体歪検出素子の出力信号を信号処理回路１４を用いて抽出した。なお、図１２にあるように、測定対象物３６は固さが１．７２ｍＮ／μｍのものと７．０４ｍＮ／μｍのものの２つものについて測定を行った。

図１２より、いずれの固さの測定対象物３６においても、押圧力が極小さな領域（５００μＮ以下の領域）で、出力値が約５５０μＶから約５０μＶまで急激に減少しているのが分かる。これは以下のように説明できる。センサ本体４のダイヤフラム２６が測定対象物３６に接触する前の状態、すなわち押圧力が０Ｎの時には、ダイヤフラム２６は自由に振動することができるため、ダイヤフラム２６に設けられる半導体歪検出素子１２には比較的大きな歪力が及ぼされ、大きな値（５５０μＶ）を出力する。その後、ダイヤフラム２６が測定対象物３６に接触し始めると、ダイヤフラム２６の自由な振動は制限されるため、半導体歪検出素子１２の出力は急激に減少する。したがって、このような信号の急激な減少の状況を測定することで、ダイヤフラム２６と測定対象物３６の接触初期の微弱押圧力の大きさを測定することができる

なお、ダイヤフラム２６が測定対象物３６の微弱な押圧力を出力する状態では、ダイヤフラム２６は測定対象物３６に対して同位相で振動していると考えられる。一方、ダイヤフラム２６が測定対象物３６から反発力を受ける状態、すなわち、ダイヤフラム２６の出力電圧が測定対象物３６の固さを出力する場合は、ダイヤフラム２６は測定対象物３６に対して逆位相で振動していると考えられる。従って、空気圧調整手段１０の空気圧Ｐ_ＡＣの振動の位相と信号処理回路１４の出力信号の位相を比較すれば、図１２におけるＹ軸の出力のうち、微弱押圧力と固さの信号を判別することができる。

上述した測定結果に対する考察より、第３の実施形態では、微弱押圧力及び固さ検出手段４２を図１３に示すように構成している。図１３において、信号処理回路１４で抽出された空気圧Ｐ_ＡＣの周波数の信号成分は、微弱押圧力及び固さ検出手段４２の位相検波器４６と位相検波器４８に入力される。位相検波器４６には、空気圧調整手段１０から接続される信号線４４より、空気圧Ｐ_ＡＣの位相の信号が入力されており、信号処理回路１４の出力信号から、空気圧Ｐ_ＡＣの位相と同期する信号が微弱力として出力される。一方、位相検波器４８には、位相反転回路５０を介して空気圧調整回路１０の空気圧Ｐ_ＡＣの位相信号が入力される。従って、位相検波器４８からは、空気圧Ｐ_ＡＣと位相が半周期異なる成分が抽出されることになり、空気圧Ｐ_ＡＣと逆位相である測定対象物３６の固さ信号が出力されることになる。

したがって、第３の実施形態の触覚センサ装置２は、ダイヤフラム２６と測定対象物３６の間の微弱接触力を精度良く検出することができる。上述したように、ダイヤフラム２６と測定対象物３６の間の押圧力は、第１及び第２実施形態に示したように、センサ本体４の出力値の直流成分を抽出することによっても検出することができる。しかしながら、半導体歪検出素子１２の出力値の直流成分には、低周波雑音が含まれるため、第３の実施形態のような極めて小さい押圧力を検出することは非常に困難である。本実施形態では、半導体歪検出素子１２の出力値からＰ_ＡＣの周波数の成分を抽出手段１８によって抽出することで、半導体歪検出素子１２の出力値に含まれる低周波雑音を除去した状態で、微弱押圧力を精度良く検出することが可能となるのである。

なお、上述の第３の実施形態では、微弱押圧力及び固さ検出手段４２は、位相検波器４６及び４８によって、微弱押圧力と固さ信号を抽出する構成としたが、別の構成も考えられる。例えば、信号処理回路１４で抽出される直流成分の押圧力の大きさが大きい場合は、ダイヤフラム２６は測定対象物３６から反発力を受けていると判断し、信号処理回路１４の信号より固さ信号を抽出し、押圧力の大きさが小さい場合は、ダイヤフラム２６が測定対象物３６から反発力を受ける前の段階と判断し、信号処理回路１４の信号より微弱押圧力信号を抽出しても良い。この場合、図１２に示すような測定を行い、予め微弱接触力を測定できる範囲を求めておくことで、押圧力の大きさに応じて微弱押圧力と固さ信号の判別を精度良く行うことができるようになる。

また、第３の実施形態では、押圧力の極小さな領域では、押圧力の増加に対してセンサ本体４の出力信号が線形的に減少すると仮定したが、第３の実施形態の触覚センサ装置２をタッチセンサのような、ダイヤフラム２６が測定対象物３６に接触したか否かのみを検出する場合にも、第３の実施形態を応用することができる。その場合、図１２の出力値が例えば、３００μＶ以下になった場合にダイヤフラム２６が測定対象物３６に接触した状態とすることで、精度良く両者の接触状態を検出することができるようになる。

また、第３の実施形態では、信号処理回路１４により半導体歪検出素子１２の出力信号の直流成分が押圧力として出力され、微弱押圧力及び固さ検出手段４２により、微弱な押圧力が出力される構成としているが、両方の押圧力を組み合わせて微弱な領域の押圧力から比較的大きい値の押圧力まで広範囲に渡って押圧力を検出するようにすることが望ましい。これにより、第３実施形態の触覚センサ装置２は、第１及び第２実施形態に比較して、押圧力を広範囲に検出することができる。また、上記構成によれば、特に、押圧力が極小さな領域においては、押圧力を高精度に検出することができる。

また、上述の３つの実施形態においては、空気圧Ｐ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣを空気圧として変化させたが、空気室３０内の気体は空気に限らず、気圧をＰ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣとすることができれば他の気体であっても良い。また、ダイヤフラム２６に伝達される圧力の大きさをＰ_ＤＣ±Ｐ_ＡＣと変化させることのできる流体であれば気体に限られず、液体としても良い。

Claims (12)

1. 所定の密閉空間を形成する空気室と、
   前記空気室の圧力を調整する空気圧調整手段と、
   前記空気室の隔壁の一部を形成し、前記空気室の空気圧の変化に伴い撓むことが可能なダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムが撓む部分に配置される力検出素子と、
   前記力検出素子の出力信号から所定の信号を抽出する信号処理回路とを備え、
   前記ダイヤフラムが測定対象物に接触した状態で、接触状態に関する物理量を測定する触覚センサ装置において、
   前記空気圧調整手段は、前記空気室の圧力値が振動変化するように空気圧を調整するものであり、
   前記信号処理回路は、空気室の圧力値が振動変化したことによる前記力検出素子の信号を検出し、測定対象物の固さに関する値として出力することを特徴とする触覚センサ装置。
2. 前記信号処理回路は、空気室の圧力値が振動変化したことによる前記力検出素子の信号の振幅の大きさを検出し、測定対象物の固さに関する値として出力することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ装置。
3. 前記信号処理回路は、空気室の圧力値が振動変化したことによる前記力検出素子の信号の周波数を検出し、測定対象物の固さに関する値として出力することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ装置。
4. 前記信号処理回路は、空気室の圧力値が振動変化したことによる前記力検出素子の信号の振幅の大きさ及び周波数を検出し、測定対象物の固さに関する値として出力することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ装置。
5. 前記空気圧調整手段は、前記空気室の圧力を所定の圧力値を中心として圧力値が振動するように変化させるものであり、
   前記信号処理回路は、力検出素子の出力信号から、所定の周波数成分を抽出することにより、測定対象物の押圧力に関する値と固さに関する値を出力するものである請求項１から４のいずれか１項に記載の触覚センサ装置。
6. 前記信号処理回路は、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の力検出素子の出力信号の変化度合いより、前記測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の触覚センサ装置。
7. 前記信号処理回路は、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の力検出素子の出力から、前記空気室の圧力の振動の周波数に基づいて抽出される交流成分より、前記測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力を検出することを特徴とする請求項５に記載の触覚センサ装置。
8. 前記信号処理回路は、前記信号処理回路により抽出された交流成分から、前記空気室の圧力の振動と同位相の信号より前記測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力に関する信号を検出し、前記空気室の圧力の振動と逆位相の信号より前記測定対象物の固さに関する信号を検出することを特徴とする請求項７に記載の触覚センサ装置。
9. 前記力検出素子は、前記ダイヤフラムの測定対象物と接触する面と反対の面に設けられることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の触覚センサ装置。
10. 前記力検出素子は、前記ダイヤフラムの表面付近に集積化して設けられることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の触覚センサ装置。
11. 所定の密閉空間を形成する空気室と、
    前記空気室の圧力を調整する空気圧調整手段と、
    前記空気室の隔壁の一部を形成し、前記空気室の空気圧の変化に伴い撓むことが可能なダイヤフラムと、
    前記ダイヤフラムが撓む部分に配置される力検出素子と、
    前記力検出素子の出力信号から所定の信号を抽出する信号処理回路とを備え、
    前記ダイヤフラムが測定対象物に接触した状態で、接触状態に関する物理量を測定する触覚センサ装置において、
    前記空気圧調整手段は、前記空気室の圧力値が振動変化するように空気圧を調整するものであり、
    前記信号処理回路は、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の力検出素子の出力信号の変化度合いより、前記測定対象物のダイヤフラムへの微弱押圧力を検出することを特徴とする触覚センサ装置。
12. 所定の密閉空間を形成する空気室と、
    前記空気室の圧力を調整する空気圧調整手段と、
    前記空気室の隔壁の一部を形成し、前記空気室の空気圧の変化に伴い撓むことが可能なダイヤフラムと、
    前記ダイヤフラムが撓む部分に配置される力検出素子と、
    前記力検出素子の出力信号から所定の信号を抽出する信号処理回路とを備え、
    前記ダイヤフラムが測定対象物に接触した状態で、接触状態に関する物理量を測定する触覚センサ装置において、
    前記空気圧調整手段は、前記空気室の圧力値が振動変化するように空気圧を調整するものであり、
    前記信号処理回路は、前記ダイヤフラムが測定対象物に接触し始めた直後の力検出素子の出力信号の変化度合いより、前記測定対象物がダイヤフラムへ接触している状態か接触していない状態かを判別することを特徴とする触覚センサ装置。

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