JPWO2010134610A1 - 触覚センサ - Google Patents
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Abstract
従来の触覚センサよりも、人間の指の触覚に近い特性を備えた触覚センサを提供する。指先挿入用サック３の下に、センサ素子ユニット５を配置する。センサ素子ユニット５を、圧電フィルム７と、圧電フィルム７を間に挟む第１及び第２の支持構造部材９及び１１からなる支持構造１３と、第１の支持構造部材９を覆うシート材料１５とから構成する。第１の支持構造部材９及び第２の支持構造部材１１を、それぞれ圧電フィルム７に沿って延びる平板部９１、１１１と平板部９１、１１１の圧電フィルム７と対向する面上に一体に設けられ且つ所定の間隔をあけて平行に延びる複数本の細長い凸部９７、１１２とを備えた構造とする。
Description
本発明は、圧電フィルムをセンサ素子として使用する触覚センサに関するものである。
人が物を触ることによって感じる主観的な「触感」や「手触り」などに結びつく表面特性は、定量的・客観的な数値で記述することが非常に困難である。現在、産業製品の表面特性を評価する手法としては熟練者の感覚、もしくは高価で操作が複雑な計測装置に頼るところが大きく、この評価法を定量化・簡易化できれば生産コスト削減や工程の簡略化などが期待できる。
そこで非特許文献１［田中由浩、田中真美及び長南征二著「手触り感計測用センスシステムを用いた触覚感性計測」と題する論文：日本機械学会論文集（Ｃ編）７３巻第７２７２号（２００７年３月）］には、手触り感を計測できる触覚センサとして、高分子圧電材料の一種であるＰＶＤＦ（Polyvinylidene Fluoride）フィルムをセンサ素子として用いたものが提案されている。この非特許文献１のＦｉｇ．３には、片持ち支持のビームの先端に、アクリルブロックと厚さ５ｍｍの下流ゴムを積層したものを母材とし、その周りにニクロム線を貼り付けた銅箔テープ、ＰＶＤＦフィルム、保護を目的としたアセテートフィルムを巻き付けた構造の層構造を備えた触覚センサが開示されている。また非特許文献１の図４には、この触覚センサを用いて触覚を定量的に計測するシステムの構成の一例が開示されている。
さらに特許文献１［特開２００４−７７３４６号公報］にも、片持ち支持のビームの先端にＰＶＤＦフィルムをセンサ素子として用いるセンサ部を装着した触覚センサが開示されている。特許文献１に示された触覚センサは、絶縁体シートの上にＰＶＤＦフィルムを貼り付けた構造体をシリコンゴムからなる外装で覆った構造を有している。この触覚センサでは、シリコンゴムからなる外装が人間の指の柔らかさを示す機能部材として利用されている。
さらに非特許文献２［田中由浩、田中真美及び長南征二著「Measurement and Evaluation of Tactile Sensations using a PVDF Sensor」と題する論文：Journal of Intelligent Material System and Structures, Vol.19, No.1, pp.35-42, 2008］のＦｉｇ．１〜Ｆｉｇ．３には、アルミの筒体の上にスポンジラバーの層を配置し、このスポンジラバーの上にＰＶＤＦフィルム、アセテートフィルム及びレースを重ねて配置した構造を有する触覚センサが開示されている。
田中由浩、田中真美及び長南征二著「手触り感計測用センスシステムを用いた触覚感性計測」と題する論文：日本機械学会論文集（Ｃ編）７３巻第７２７２号（２００７年３月）
田中由浩、田中真美及び長南征二著「Measurement and Evaluation of Tactile Sensations using a PVDF Sensor」と題する論文：Journal of Intelligent Material System and Structures, 第19巻第1号第35−42頁, ２００８年１月
非特許文献１及び２並びに特許文献１に示された従来の触覚センサは、いずれも人間の指の触覚に近い特性を得るためにＰＶＤＦフィルム（圧電フィルム）をセンサ素子として用いている。しかしながら従来の触覚センサでは、圧電フィルムの特性を十分に生かしきれていない問題がある。そのため、より人間の指の触覚に近い特性を備えた触覚センサが強く望まれている。
本発明の目的は、従来の触覚センサよりも、人間の指の触覚に近い特性を備えた触覚センサを提供することにある。
本発明が改良の対象とする触覚センサは、検査対象の表面と接触する接触面と、検査対象の表面に接触面を押し付けた状態で検査対象の表面と接触面との間に相対的な運動を生じさせたときに、接触面から伝達される振動によって電圧を誘起する圧電フィルムと、振動が圧電フィルムに伝達するように圧電フィルムを支持する支持構造とを備えている。圧電フィルムとは、フィルム状の圧電材料の両面に一対の電極が形成されたものを意味する。
本発明の触覚センサでは、支持構造が、検査対象の表面に触覚センサの前記接触面を押し付けた状態において、圧電フィルムの面方向の少なくとも１つの方向に向かって交互に凹凸が現れるように圧電フィルムを変形させて該圧電フィルムを延ばすように支持する構造を有している。ここで「圧電フィルムの面方向の少なくとも１つの方向」とは、圧電フィルムの表面に沿う方向であれば、どの方向でもよい。例えば、相対的な運動方向と平行な方向、相対的な運動方向と直交する方向、及びこれら両方向でもよい。
支持構造に、このような構造を採用すると、圧電フィルムに交互に形成される凹凸によって、圧電フィルムの複数箇所にほぼ同時に引張力が発生し、圧電フィルムからは接触面全体から伝わる振動に応じた信号が出力される。その結果、接触面が接触状態に感応する感応面になった触覚センサを得ることができる。本発明によれば、従来よりも、人間の指の触覚に近い特性を備えた触覚センサを得ることができる。
圧電フィルムに沿って交互に凹凸を形成するための具体的な支持構造の構成は、任意である。例えば、支持構造を、圧電フィルムの面方向の少なくとも１つの方向おいて対向する一対の辺を固定状態とし且つ圧電フィルムを間に挟むように配置された硬質の第１及び第２の支持構造部材を備えた構造とする。本願明細書において「硬質」とは、圧電フィルムよりも硬く、検査対象の表面に接触面を押し付けた状態で、圧電フィルムに対して接触面の振動を伝えることができる硬さを示す性質を意味する。このような硬質の第１及び第２の支持構造部材は、例えば、金属材料によって形成することができる。
第１の支持構造部材と、圧電フィルムと第２の支持構造部材とは、検査対象の表面に接触面を押し付けると、第１の支持構造部材が第２の支持構造部材に近づき、検査対象の表から接触面を離すと第１の支持構造部材が第２の支持構造部材から離れることを許容するように１つのユニットとして構成されている。
第１の支持構造部材及び第２の支持構造部材は、それぞれ圧電フィルムと対向する対向面に圧電フィルムに沿って交互に並ぶ凹部及び凸部を備えている。そして第１の支持構造部材に設けられた凹部及び凸部が、第２の支持構造部材に設けられた凸部及び凹部と圧電フィルムを介して対向するように、第１の支持構造部材及び第２の支持構造部材が配置されている。
この支持構造は、凹部及び凸部が交互に並ぶ方向と直交する方向に、凹部及び凸部がそれぞれ連続して延びる形状を有していてもよい。より具体的には、第１の支持構造部材及び第２の支持構造部材を、それぞれ圧電フィルムに沿って延びる平板部と該平板部の圧電フィルムと対向する面上に設けられ且つ所定の間隔をあけて延びる複数本の細長い凸部とを備えた構造とする。そして第１の支持構造部材の複数本の細長い凸部と、第２の支持構造部材の複数本の細長い凸部とが、圧電フィルムを介して互い違いに並ぶように、第１の支持構造部材及び第２の支持構造部材を配置する。複数の細長い凸部は平行に並んでいてもよいが、非平行に並んでいてもよい。また複数の細長い凸部のピッチ寸法（隣り合う２つの凸部の先端部間の寸法）は、均等であっても、不均等であってもよい。また細長い凸部の形状は、凸部が並ぶ方向と直交する方向に凸部を切断したときの切断面の輪郭形状が、圧電フィルム側に頂点を有する湾曲形状を有しているのが好ましい。このようにすると圧電フィルム全体にほぼ均等な引張力を発生させることができ、圧電フィルムの特性をより有効に活用することができる。
また別の具体的な支持構造としては、第１の支持構造部材及び第２の支持構造部材を、それぞれ圧電フィルムと対向する面に圧電フィルムに沿ってマトリックス状に複数の凸部が分散して並ぶ構造としてもよい。この場合は、第１の支持構造部材が有する複数の凸部と第２の支持構造部材が有する複数の凸部とが、圧電フィルムを介して対向しないように、第１の支持構造部材及び第２の支持構造部材を配置するのが好ましい。なおマトリックス状に複数の凸部が分散して並ぶ構造とは、支持構造部材の面上に仮想格子パターンを想定したときに、格子パターンの交点に凸部が位置するように、複数の凸部を配置する構造である。この場合の複数の凸部は、圧電フィルム側に頂点を有する山形形状を有しているのが好ましい。複数の凸部をこのような形状にすると、圧電フィルムに分散してほぼ均等な引張力を発生させることができ、圧電フィルムの特性を有効に活用できる。
これらの具体的な支持構造では、いずれも、触覚センサの接触面を検査対象の表面に押し付けた状態で、第１及び第２の支持構造部材に設けられた凸部と凹部が、圧電フィルムを部分的に曲げて圧電フィルムに全体的に引張力を発生する。圧電フィルム全体に接触面の振動を伝える場合よりも、上記の支持構造の構成により、圧電フィルムに部分的に且つ分散した状態で接触面の振動を伝えるほうが、圧電フィルムの出力に振動の変化がより高い感度で反映される。したがって従来よりも、人間の指の触覚に近い特性を備えた触覚センサを得ることができる。
第１の支持構造部材が、検査対象側に位置する状態で使用するものとした場合、第１の支持構造部材の圧電フィルムと対向しない非対向面の形状も凹部と凸部とが交互に現われる形状を有しているのが好ましい。第１の支持構造部材の非対向面に凹凸が形成されると、第１の支持構造部材に対して接触面から局所的に振動を伝達することができ、この局所的な振動を圧電フィルムに対して伝達することができる。その結果、触覚センサの感度を高めることができる。この場合第１の支持構造部材の非対向面に形成された複数の凸部の先端面が、前記接触面を構成する。
なお第１の支持構造部材の非対向面に形成される複数の凸部のピッチ寸法は、第１の支持構造部材の対向面に形成される複数の凸部のピッチ寸法よりも小さいことが好ましい。このような寸法関係にすると、検査対象の表面の変化をより高い精度で検出することができる。
なお第１の支持構造部材の非対向面により接触面を構成してもよいが、第１の支持構造部材の非対向面を、接触面を有するシート材料により覆うようにしてもよい。接触面を有するシート材料により第１の支持構造部材の非対向面を覆う場合には、検査対象の表面の特性または状態をよりよく検出できる材質のシート材料を用いるのが好ましい。具体的なシート材料としては、検査対象と同質または近似した材質の材料によって構成されたシート材料を用いるのが好ましい。検査対象と同質または近似した材質の材料によって構成されたシート材料で検査対象の表面を擦ると、検査対象の表面の変化が接触面に相乗的な振動となって現れ、検出精度を高めることができる。なおこのシート材料で第１の支持構造部材、圧電フィルム及び第２の支持構造部材からなるユニットを全体に包むようにしてもよい。
なおさらに具体的には、隣り合う２つの凸部間のピッチ寸法（隣り合う２つの凸部の先端間の距離）が、１ｍｍ〜９ｍｍであり、凸部の高さ寸法（凹部の底部から凸部の先端までの最短距離）が０．５ｍｍ〜２ｍｍであると、布地のような種々の表面粗さを有する検査対象の表面特性を確実に検出することができる。またこの場合に第１の支持構造部材の非対向面に設けられる複数の凸部のピッチ寸法が、１ｍｍ〜９ｍｍであり、凸部の高さ寸法が０．５ｍｍ〜２ｍｍとなるように凸部を設けるのが好ましい。このようにすると更に検出精度を高めることができる。
検査対象の表面が簡単に傷つく場合には、触覚センサの接触面の摩擦抵抗を小さくすることが好ましい。このような場合には、検査対象側に位置する第１の支持構造部材に、検査対象の表面上を転動する複数の転動部材を回動自在に支持させる。この場合には、検査対象の表面と接触する複数の転動部材の外表面が触覚センサの接触面を構成することになる。このような転動部材を用いると、検査対象の表面を傷つけることなく、検査対象の表面の性状を検査することができる。
なお転動部材を用いる場合には、第１の支持構造部材に、２本以上の軸を平行に配置する。そして２本以上の軸の両端に転動部材を取り付けるのが好ましい。この場合には、検査対象の表面を安定して転がる転動部材から発生する振動が、軸を介して第１の支持構造部材に確実に伝わる。
本発明の触覚センサは、作業者がマニュアルで操作することができる。しかし安定した押圧力で検査対象の表面上を触覚センサの接触面で擦る場合には、触覚センサを機械的にまたは自動的に移動させる表面状態評価装置に触覚センサを搭載すればよい。この表面状態評価装置は、本発明の触覚センサを保持し且つ駆動源を備えて該駆動源の駆動力により検査対象の表面に沿って触覚センサを移動させる移動機構と、検査対象の表面に置かれた状態で、触覚センサが表面上を移動し得るように移動機構を保持するハウジングとを具備する。ハウジングは、触覚センサ及び移動機構を保持できるものではあれば、その構造は任意である。
移動機構の駆動源としては、電動リニアモータやエアシリンダ等を用いることができる。このような駆動源を備えて該駆動源の駆動力により検査対象の表面に沿って触覚センサを移動させる移動機構を用いると、測定結果に作業者の個人差が現れることがないので、測定精度を高めることができる。
表面状態評価装置は、触覚センサを移動させる方向と直交する方向に移動機構の位置を変位させて、触覚センサの接触面を表面に押し付ける力を設定する押圧力設定機構をさらに備えているのが好ましい。押圧力設定機構があれば、触覚センサの接触面を検査対象の表面に押し付ける力を調整することができるので、検査対象の表面の特性に適した一定の押し付け力で、触覚センサの接触面を検査対象の表面に押し付けることが可能になる。
以下、図面を参照して本発明の触覚センサの一実施の形態について詳細に説明する。図１は、各種の布の表面の特性を計測するのに適した本発明の実施の形態の触覚センサで、作業者の指先に装着するタイプの触覚センサ１の構造の概略を示す斜視図である。なお図１において、触覚センサ１のケース（外装）の図示は省略してある。図１において符号３を付した部材は、使用者の指先を挿入する筒状の指先挿入用サックである。指先挿入用サック３は、例えばゴム製サックにより構成することができる。指先挿入用サック３の下には、センサ素子ユニット５が配置されている。センサ素子ユニット５は、圧電フィルム７と、第１及び第２の支持構造部材９及び１１からなる支持構造１３と、第１の支持構造部材９を覆うシート材料１５とから構成される。
本実施の形態では、圧電フィルム７の圧電フィルム材料として、東京センサ株式会社からLDT0-028Kの製品番号で販売されている高分子圧電材料であるポリフッ化ビニリデン（Polyvinylidine Fluoride; PVDFフィルム）を採用した。PVDFフィルムは長手方向（または面方向）の伸張に比例した電荷信号を出力するものである。圧電フィルム７には、電荷信号を取り出すことを可能にする一対の電極（図示せず）が接合されており、これら一対の電極に一対のリード線８が接続されている。
支持構造１３は、圧電フィルム７を間に介して対向する第１の支持構造部材９及び第２の支持構造部材１１により構成されている。第１の支持構造部材９は、金属板と金属線材料（具体的にはアルミニューム）のように硬質の材料により形成されている。第１の支持構造部材９は、圧電フィルム７に沿って延びる平板部９１と、該平板部９１の圧電フィルム７と対向する対向面上に一体に設けられ且つ所定の間隔をあけて平行に延びる３本の細長い凸部９３と、圧電フィルム７と対向しない非対向面上に一体に設けられ且つ所定の間隔をあけて平行に延びる５本の細長い凸部９７とを備えている。細長い凸部９３及び９７は、それぞれ同じ方向に延びている。本実施の形態では、３本の凸部９７が３本の凸部９３と対向しており、残りの２本の凸部９７が凹部９４と対向している。
なお結果として、隣り合う２つの凸部９３の間には、凹部９４が形成されている。また隣り合う２つの凸部９７の間には、凹部９８が形成されている。その結果、対向面には圧電フィルム７に沿って凸部９３と凹部９４とが交互に並んだ構造が構成され、非対向面には圧電フィルム７に沿って凸部９７と凹部９８とが交互に並んだ構造が構成されている。
本実施の形態では、対向面に設けられた３本の細長い凸部９３の隣り合う２つの凸部９３間のピッチ寸法（隣り合う２つの凸部９３の先端間の距離）は、１ｍｍ〜９ｍｍの好ましい範囲中の６．７ｍｍの値に設定され、凸部９３の高さ寸法［凹部９４の底部（対向面）から凸部９３の先端までの最短距離］は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの好ましい範囲中の１．２ｍｍの値に設定されている。また非対向面に設けられた５本の細長い凸部９７の隣り合う２つの凸部９７間のピッチ寸法（隣り合う２つの凸部９７の先端間の距離）は、１ｍｍ〜９ｍｍの好ましい範囲中の３．２ｍｍの値に設定され、凸部９７の高さ寸法［凹部９８の底部（非対向面）から凸部９７の先端までの最短距離］は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの好ましい範囲中の０．８ｍｍの値に設定されている。
なお図１においては、作図の関係から、シート材料１５を第１の支持構造部材９の下面だけを覆うように示してある。しかし第１の支持構造部材９を、装置布としてのシート材料１５により全体的に覆っても良い。まただい１の支持構造部材９，圧電フィルム７及び第２の支持構造部材１１からなるユニットを全体的にシート材料１５により覆っても良い。
本実施の形態においては、耐摩耗性に優れたクレポン（梨地またはこれに類似した組織でクレープのような外観をした織物）によってシート材料１５が形成されている。本実施の形態では、第１の支持構造部材９の凸部９７を覆うシート材料１５が、触覚センサ１の接触面を構成している。クレポンは、織り目構造を持ち、織り目を構成する糸は細くて硬く丈夫である。そのため、検査対象の布の細かいスケールまで計測が可能となり、また接触面（走査接触部分）の耐久性を高くできる。また、検査対象に触れる箇所が布地であるため、検査対象に対する損傷も少ない。なお検査対象の表面の特性によっては、シート材料１５を用いずに、凸部９７を検査対象の表面に直接接触させるようにしてもよい。この場合には、凸部９７の表面が接触面となる。
第２の支持構造部材１１は、金属（具体的にはステンレス）等の硬質の材料により一体に形成されている。第２の支持構造部材１１は、圧電フィルム７に沿って延びる平板部１１１と、該平板部１１１の圧電フィルム７と対向する対向面上に一体に設けられ且つ所定の間隔をあけて平行に延びる４本の細長い凸部１１２と、２本の細長い凸部１１２の間に形成された凹部１１３とを備えている。本実施の形態では、対向面に設けられた４本の細長い凸部１１２の隣り合う２つの凸部１１２間のピッチ寸法（隣り合う２つの凸部１１２の先端間の距離）は、１ｍｍ〜９ｍｍの好ましい範囲中の６．７ｍｍの値に設定され、凸部１１２の高さ寸法［凹部１１３の底部（対向面）から凸部１１２の先端までの最短距離］は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの好ましい範囲中の１．４ｍｍの値に設定されている。
支持構造１３は、第１の支持構造部材９の３本の細長い凸部９３が、第２の支持構造部材１１の３つの凹部１１３と圧電フィルム７を間に介して対向するよう構成されている。言い換えると、支持構造１３は、第１の支持構造部材９の３本の細長い凸部９３が、第２の支持構造部材１１の４本の細長い凸部１１２とが、圧電フィルム７を介して互い違いに配置されるように構成されている。本実施の形態では、圧電フィルム７の上面は第２の支持構造部材１１の両端の２つの細長い凸部１１２とだけ接着されており、圧電フィルム７の下面は第１の支持構造部材９の中央の細長い凸部９３とだけ接着されている。これは、圧電フィルムと支持構造１３との接着部が、圧電フィルム７全体の長手方向の伸縮を阻害することを防ぐためである。
また本実施の形態では、細長い凸部９７及び１１２は、凸部が並ぶ方向と直交する方向に凸部を切断したときの切断面の輪郭形状が、圧電フィルム７側に頂点を有する湾曲形状を有している。このようにするとほぼ均等な引張力を圧電フィルム内に発生させることができ、圧電フィルムの特性をより有効に活用することができる。
また第１の支持構造部材９の非対向面に設けられた細長い凸部９７、細長い凸部９７の長手方向と直交する方向に凸部９７を切断した（凸部９７が並ぶ方向と直交する方向に凸部９７を切断した）ときの切断面の輪郭形状が、圧電フィルム７とは反対側に頂点を有する湾曲形状を有している。第１の支持構造部材９の非対向面に凹凸（凸部９７と凹部９８）が形成されると、第１の支持構造部材９に対して後述する接触面から局所的に振動を伝達することができ、この局所的な振動を圧電フィルム７に対して伝達することができる。その結果、触覚センサの感度を高めることができる。
図２に示すように、本実施の形態では、第１の支持構造部材９と第２の支持構造部材１１との間の距離の変動が、圧電フィルム７の長手方向の伸縮に変換される。したがって、この触覚センサ１が検査対象１００の表面上に押し付けられて走査動作が行われているときに生じる振動は、圧電フィルム７からの電圧信号として測定される。本実施の形態によれば、触覚センサ１の接触面を検査対象１００の表面に押し付けた状態で、隣り合う２つの凸部９７，１１２が圧電フィルム７の内部に交互に逆方向に曲がる曲げ部を生じさせる。圧電フィルム７全体に接触面の振動を伝える場合よりも、前述の曲げ部の形成により、圧電フィルム７を長手方向に伸張させて、圧電フィルム７に部分的に且つ分散した状態で接触面の振動を伝える方が、圧電フィルム７の出力に振動の変化がより高い感度で反映される。したがって本実施の形態によれば、従来よりも、人間の指の触覚に近い特性を備えた触覚センサを得ることができる。
図３（Ａ）乃至（Ｄ）は、本発明の触覚センサの他の実施の形態の触覚センサで用いる第２の支持構造部材１１′の正面図及び平面図、並びに第１の支持構造部材９′の正面図及び平面図を示している。本実施の形態では、第１の支持構造部材９′及び第２の支持構造部材１１′を、それぞれ圧電フィルム７と対向する面に圧電フィルム７に沿ってマトリックス状に複数の凸部（９３′，１１２′）が分散して並ぶ構造としてもよい。図３（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、第１の支持構造部材９′が有する複数の凸部９３′と第２の支持構造部材１１′が有する複数の凸部１１２′とが、圧電フィルム７を介して対向しないように、第１の支持構造部材９′及び第２の支持構造部材１１′の構造が定められている。マトリックス状に複数の凸部９３′及び１１２′が分散して並ぶ構造とは、支持構造部材９′及び１１′の平板部９１′及び１１１′の面上に仮想格子パターンＩＰを想定したときに、格子パターンの交点に凸部９３′及び１１２′が位置するように、複数の凸部９３′及び１１２′を配置する構造である。複数の凸部９３′及び１１２′は、圧電フィルム側に頂点を有する山形形状を有している。複数の凸部９３′及び１１２′をこのような形状にすると、圧電フィルム７に局所的に大きな曲げを発生させることができ、圧電フィルムの特性を有効に活用できる。
図４は、本実施の形態の触覚センサ１を使って検査対象１００の表面の特性を計測する計測システムの構成の概略を示す図である。このシステムは、触覚センサ１の出力を増幅する増幅器Ａｍｐと、増幅器Ａｍｐの出力をＡ／Ｄ変換するＡ／ＤコンバータＡＤＣと、信号処理を実行するパーソナルコンピュータＰＣとから構成される。触覚センサ１は、図１に示す構造を有するものであり、圧電フィルムとして用いられているPVDF フィルムからの電荷信号は、増幅器Ａｍｐで増幅された後Ａ／ＤコンバータＡＤＣでデジタル信号に変換されて、パーソナルコンピュータＰＣに入力される。増幅器Ａｍｐとしては、チャージアンプ（小野測器CH-1200）を用いることができ、増幅器Ａｍｐでは電圧信号への変換及び増幅が施される。そしてＡ／ＤコンバータＡＤＣとしては、ＡＤ変換ボード（インタフェースLPC-321216）を用いている。さらに、パーソナルコンピュータＰＣでは、入力された電圧情報を高速フーリエ変換（FFT）し、下記の式で定まるＮＦ＝800［点］の周波数点における周波数応答（デシベル値）を得た。
なお、Ａ／Ｄ変換及び高速フーリエ変換 における仕様としては、サンプリング周波数を40000Hzとし、最新データ8192点で高速フーリエ変換を行う。そして、７回の高速フーリエ変換の結果を単純平均した周波数応答をパーソナルコンピュータＰＣのディスプレイに表示させ且つデータベースに記録する。なお記録の際には、グラフの変動が大きい間は記録を実行せず、変動が小さくなり信号が安定するとシステムが認識して自動的に記録を行うようにした。
上記計測システムを用いて本実施の形態の触覚センサ１で触感の定量的な評価が行えることを確認するための試験を行った。この試験では、まず、触感の定量的な評価が特に難しい布地を検査対象とした。本実施の形態の触覚センサ１が布地の検査に適用できれば、他の種類の検査対象にもある程度容易に触覚センサ１を適用できるものと考えられる。また、布地の触感・手触りは消費者が衣服を購入する際の重要な選択要因となるため、それを定量的に評価することによる効果は大きい。触覚センサを用いて実験を行ったところ、押付け力や走査速度に関してある程度大雑把な計測条件を設定したにも関わらず、再現性が高く対象布間の差異を高精度に見分けることができた。すなわち本実施の形態の触覚センサ１が複数の検査対象のロバストな識別に対して効果を発揮できることが確認できた。
触覚センサ１の指先挿入用サック３の部分に人差し指をはめ、装置布全体が対象布に押し当たるように心がけて、対象布上の約２０〜３０ｃｍの区間を往復１〜２秒ほどかけて擦り、その際の振動を計測した。このように、押付け力や走査速度などを厳密に限定せずに、大雑把な条件で計測を行った。なお、対象布Ｔには図５に示すＮＴ＝９［種］を用いた。
実験を行う前に、まずデータベースをパーソナルコンピュータＰＣ内に作成した。データベースを作成するために、ＮＰ＝１［人］の操作者がＮＴ＝９［種］の対象布に対してＮＭ＝１０［回］ずつの計測を行い、１回の計測につきＮＦ＝８００［点］の周波数点における周波数応答（デシベル値）を記録した。いま、１人の操作者が対象布Ｔに対してｉ回目の計測を行った際に得られた周波数応答をｘ（Ｔ、ｉ）（∈ＲＮＦ）とおく。さらに、下記のようにしてｘ（Ｔ、ｉ）の計測回数に渡る平均値ｘ（Ｔ）を求める。
１人の操作者が計測を行った際の平均値を図６に示す。図６から判るように、平均値の対象布間の差異は非常に大きくなった。したがってこれらの平均値を基礎データとして用いれば、対象布の識別が可能になる。
上記のように作成したデータベースｘ（Ｔ）に対して、改めてＮＴ＝９［種］のうちの任意の対象布を擦って得られた識別対象データｙを照らし合わせることで対象布の識別を行った。ここで、ＴはＴ＝１，２，・・・９で図５の対象布の番号（１）〜（９）に対応する。対象布の識別は下記のような手順で行った。
１．データベースｘ（Ｔ）（∈ＲＮＦ）と識別対象データｙ（∈ＲＮＦ）に対して、下記のユークリッド距離（２ノルム）の２乗を計算する。
２．ｄ2（Ｔ）が最小となる対象布Ｔist を第１識別候補として選び出す。なお、データベースの作成は別で行うが、識別対象データｙの取得から対象布Ｔの識別までの過程は、計測とオンラインで実行する。また、識別候補の対象布名をディスプレイにリアルタイム表示するようにし、現在擦っている対象布が何であるかを操作者へ即座に分かるようにした。
識別の際に指の押付け力や走査速度も同時に計測した。そして、それらが識別精度にどう影響するのかについて検証を行った。押付け力の計測は、指先挿入用サック３とセンサ素子ユニット５との間に挟んだ図示しない小型ロードセル（共和電業LMA-A-5N）を用いて行った。なおここでの押付け力の範囲としては、人がかなり意識して物を押す程度の大きな力ではなく、人が無意識に物の上に手を置く程度の、もしくは軽く押す程度の力で検証を行った。計測した結果、その力はおよそ２．０〜４．０［Ｎ］となった。
走査速度の計測については、一定周波数で点滅する発光ダイオードを触覚センサ１に取り付け、発光ダイオードの位置を天井から光学式の位置検出装置PSD（Position Sensitive Detector）で捉えることで行った。なお、発光ダイオードや位置検出装置などは、浜松ホトニクス製のポジションセンサC5949で標準構成されたものを用いた。また速度範囲としては、対象布上の約２０〜３０ｃｍの区間を往復１〜２秒ほどかけて擦ったので、計測した結果およそ０．０〜０．８［m/s］となった。
対象布Ｔcorrect を擦ってデータベースに対する識別を試みると、それぞれの対象布に対するｄ2（Ｔ）が１回の記録で得られる。ここでは、ｄ2（Ｔ）が２番目に小さくなる第２識別候補の対象布をＴ2nd とおき、ｄ2(Ｔcorrect)／ｄ2(Ｔ2nd )の時間的な推移を調べた。
その一例として、対象布クレポンの識別を試みた際の結果を図７に示す。先に述べたように、周波数応答の変動が小さい時に自動記録を行うようにした。図７において、図中の丸い点が記録点を表している。どの記録点もｄ2(Ｔcorrect)／ｄ2(Ｔ2nd )が１未満で、つまりＴcorrectが第１識別候補Ｔ1stに選ばれたときに、記録が行われている。図７からは、記録点以外でもｄ2(Ｔcorrect)／ｄ2(Ｔ2nd )が１未満で推移し、２０秒程度の長い時間に渡り良好な識別が行えていることが分かる。
また、同時に押付け力と走査速度の時間的な推移についても調べた。調べた結果の一例を図８に示す。図８に示すように、押付け力については２．０〜４．０［Ｎ］、走査速度については０．０〜０．７［m/s］という比較的広範囲にわたっている。このように力や速度が制御されずに広範囲に渡っているにも関わらず、図７の結果から良好な識別が可能であることが分かる。
次に押付け力や走査速度を変化させることによって識別精度がどのように推移するのかについて検証を行った。識別精度の指標としてはｄ2(Ｔcorrect)／ｄ2(Ｔ2nd )を適用し、またＴcorrect以外の８種の不正解の対象布Ｔincorrect におけるｄ2(Ｔcorrect)／ｄ2(Ｔ2nd )についてもその推移を調べた。図９及び図１０に、９種のすべての対象布に対して各２０回の識別を試みた際の結果を示す。図９及び図１０において、丸印「○」はＴ＝Ｔcorrectを示し、黒点「・」はＴ＝Ｔincorrect を示している。図９及び図１０からは、押付け力２．０〜４．０［Ｎ］、走査速度０．０〜０．８［m/s］の範囲に亘って、ｄ2(Ｔcorrect)／ｄ2(Ｔ2nd )は１ 未満、ｄ2(Ｔincorrect)／ｄ2(Ｔ2nd )は１以上に推移し、良好な識別精度が得られていることが分かる。実際に、２０回×対象布９種の識別に対する正答率は１００％となり、高い識別精度となった。また、図９及び図１０においてｄ2(Ｔ)／ｄ2(Ｔ2nd )の分布が散在していることから、押付け力・走査速度と識別精度との相関は小さいことが分かる。すなわち、押付け力・走査速度が対象布識別精度に与える影響は比較的小さいと言える。このことから本実施の形態の触覚センサ１では力や速度を精密に制御する必要がないことが裏付けられる。
ただし、図９から分かるように、押付け力がある程度大きくまたは小さくなると識別精度が悪化してしまう。実際に押付け力が１．５［Ｎ］以下及び５［Ｎ］以上では、正解の対象布が第１識別候補に選ばれにくい結果となっている。一方、走査速度を大きく変化させた場合、識別精度への悪影響はほぼ無かった。なおこの実験では、天井から吊るした位置検出装置PSDを用いて往復擦過運動の速度計測を行っているため、計測できる速度の上限が約０．９［m/s］で存在し、それ以上の速度については計測不能であった。
なお上記実験では、全ての対象布に対して、触覚センサ１の接触面を構成するシート材料１５としてクレポンを用いている。対象布ごとに、触覚センサ１の接触面を構成するシート材料１５として対象布を用いると、計測精度が上がることが確認されている。しかしながら計測対象物が布の場合には、どの対象布に対しても、触覚センサ１の接触面を構成するシート材料１５としてクレポンを用いて良好な計測結果が得られている。したがって計測対象が布の場合の触覚センサであれば、あえて触覚センサ１の接触面を構成するシート材料１５として対象布を用いる必要はない。
上記実験からは、本実施の形態の触覚センサ１では、複数の検査対象に対し高精度な識別ができることが判る。なお検査対象が、布ではなく紙であっても、触覚センサ１が有効に活用できることが確認されている。図１１は、高品質の紙とリサイクル紙の表面の特性を本実施の形態の触覚センサで計測したデータベース作成のため、ＮＰ＝１［人］の操作者が２［種］の対象紙に対してＮＭ＝１０［回］ずつの計測を行い、１回の計測につきＮＦ＝８００［点］の周波数点における周波数応答（デシベル値）を記録した結果の平均値を示している。図１１においてＡが高品質の紙のデータであり、Ｂがリサイクル紙である。なお使用した触覚センサ１の接触面を構成するシート材料１５としては、計測の対象紙と同じものを用いている。
本実施の形体の触覚センサによれば、押付け力や走査速度を精密に制御する必要はなく、ある程度大雑把な計測条件でも識別精度や再現性を高く保つことができる。また人が直に触って見分けにくい綿ローンとベンクリルに対しても、本実施の形体の触覚センサ１では高精度に識別できたことなどは、本発明が優れた効果を発揮することを裏付けるものである。なお本実施の形体の触覚センサ１は、産業製品の表面性状を計測・比較・評価するための検査装置をはじめ、具体例として衣服を洗濯した際の劣化度合を触感の観点から評価することや、掃除機の先端に取付けて対象のカーペットの種類を判別し吸引力を調整することなどにも応用できる。
なお本実施の形態の触覚センサでは、押付け力と走査速度を厳密に制御しなくても、検査対象の布についての情報が効果的に得られるということが確認されている。また使用や洗浄に伴う劣化など、同一種の布で連続的に特性が変化する場合に、本実施の形態の触覚センサにより取得したデータに基づいて、その変化を指標化することが可能であることも確認されている。
上記実施の形体では、凸部９３，９７及び１１２の横断面形状として、湾曲形状を採用しているが、横断面形状は触覚センサの感度を高めることができるものであれば任意である。例えば、横断面形状を先端が尖った三角形状にしてもよい。また先端面の面積が大きくならない程度に、先端に向かうに従って横断面積が小さくなる台形形状を採用してもよい。
また上記実施の形態では、触覚センサの検査対象を布地に限定したが、皮革、樹脂、木材、金属、コンクリートなど、細かなテキスチャを持つさまざまな産業製品の表面性状を比較・評価するための触覚センサとして利用できる。
上記実施の携帯では、第１の支持構造部材９、圧電フィルム７及び第２の支持構造部材１１を部分的に接着することによりユニット化している。しかし第１の支持構造部材９と、圧電フィルム７と第２の支持構造部材１１のユニット化は、検査対象の表面に接触面を押し付けると、第１の支持構造部材９が第２の支持構造部材１１に近づき、検査対象の表面から接触面を離すと第１の支持構造部材９が第２の支持構造部材１１から離れることを許容する構造であれば、その他の手段により実現してもよいのは勿論である。
図１２は、検査対象の表面が傷つきやすい場合に使用する本発明の他の実施の形態の概略構成を示す図である。図１２に示した触覚センサ２０１については、図１に示した実施の形態を構成する部材と同様の部材に、図１に付した符号の数に２００を加えた数の符号を付して、説明を省略する。図１２の実施の形態では、接触面の摩擦抵抗を小さくするために、検査対象３００側に位置する第１の支持構造部材１０９に、検査対象３００の表面上を転動する４つのローラからなる転動部材２２１を回動自在に支持している。この例では、第１の支持構造部材１０９の平板部２９１に、図示しない２本の軸を平行に配置し、２本の軸の両端にローラからなる転動部材２２１が回動自在に取り付けられている。この触覚センサ２０１を用いると、検査対象３００の表面を安定して転がる転動部材２２１から発生する振動が、軸を介して第１の支持構造部材１０９に確実に伝わる。本実施の形態では、検査対象３００の表面と接触する転動部材２２１の外表面が触覚センサ２０１の接触面を構成する。このような転動部材２２１を用いると、検査対象３００の表面を傷つけることなく、検査対象の表面の性状を検査することができる。
次に転動部材としてボールベアリングを用いた具体的な実施例を用いて行った確認試験について説明する。この実施例では、外径３mmのボールベアリングを転動部材２２１として用いている。すなわちボールベアリングの外輪をそのまま転動部材として利用している。第１及び第２の支持構造部材２０９及び２１１の平板部２９１及び３１１として金属板を用い、圧電フィルム２０７としてＰＶＤＦフィルムを用いている。
この試験において、圧電フィルム２０７はチャージアンプを介してパソコンのＡＤボードに接続した。圧電フィルム２０７から出力される電圧信号は、1／40000秒ごとにＡＤボード上に記録され、そのデータは8192回の連続記録毎に（8192／40000＝0．2048秒毎に）パソコン上に転送される。パソコン上では0．2048秒毎に8192点の電圧値に対して高速フーリエ変換を行い、その値のデシベル値（常用対数値の２０倍）を求めた。そして、高速フーリエ変換のデシベル値の100［Hz］〜6000［Hz］の成分（1208個の数値）を１回の測定データとして記録した。
具体的には４種４枚の金属試験片（１）〜（４）の上で触覚センサ２０１を往復運動させ、信号が安定したところで、およそ１秒おきに１０回データを取得した。試験片（１）はブラスト処理を施していない鉄板、試験片（２）〜（４）はそれぞれ、ブラスト処理を施した鉄板である。試験片（２）は１回のブラスト処理を施した鉄板であり、試験片（３）は、ISO Sa2.5程度のブラスト処理を施した鉄板であり、試験片（４）はISO Sa3.0程度のブラスト処理を施した鉄板である。
前述のように、１回のデータ取得において、1208個の数値（デシベル値）が得られる。これを一つの「観測ベクトル」と呼ぶことにする。各試験片内での１０回の測定を平均すると、図１３のようなデータが得られる。図１３からは、異種試験片間の差異がデータの差異として反映されていることが読み取れる。特に、ブラスト処理が行われていない試験片（１）とそれ以外との差異は顕著に見られる。
図１４は、安定した押圧力で検査対象の表面上を触覚センサの接触面で擦るように構成された表面状態評価装置３１の構成を示す概略断面図である。この表面状態評価装置３１は、図１２に示す触覚センサ２０１と同様に、転動部材２２１を備え且つリニアモータの可動子と組み合わされた自走型の触覚センサ３０１と、移動機構３２とハウジング３３徒を備えている。移動機構３２は、駆動源の駆動力により検査対象４００の表面に沿って触覚センサ３０１を移動させる。ハウジング３３は、検査対象４００の表面に置かれた状態で、触覚センサ３０１が表面上を移動し得るように移動機構３２を保持する。
本実施の形態では、移動機構３２が駆動源としてリニアモータを備えている。図１７には、リニアモータの固定子を構成する永久磁石構造体３４が示されており、可動子は触覚センサ３０１のケースの内部に配置されている。永久磁石構造体３４は、軌道上にＮ極の永久磁石とＳ極の永久磁石とが交互に並ぶ構造を有している。永久磁石構造体３４の両端は、マニュアルにより上下方向の位置調整が可能に構成されたスライド機構３５に支持されている。スライド機構３５は、触覚センサ３０１を移動させる方向と直交する上下方向に移動機構３２の位置を変位させて、触覚センサ３０１の接触面を表面に押し付ける力を設定する押圧力設定機構を構成している。スライド機構３５は、ハンドル３６を回すことにより、永久磁石構造体３４の上下位置を調整するように構成されている。ハウジング３３の内部には、リニアモータの駆動電源装置３７が配置されている。駆動電源装置３７と触覚センサ３０１とは、フレキシブルケーブルによって接続されている。そしてハウジング３３の上壁部には、搬送時に握ることができるグリップ部３８が設けられている。
上記実施の形態では、駆動源としてリニアモータを用いているが、エアシリンダ等の他の駆動源を用いてもよいは勿論である。また図１に示すような転動部材を備えていない触覚センサ１を、表面状態評価装置３１に適用してもよいのは勿論である。
本発明の触覚センサによれば、支持構造が、検査対象の表面に接触面を押し付けた状態において、接触面と対向する圧電フィルムに、圧電フィルムの面方向の少なくとも一方向に交互に凹凸が現れるように圧電フィルムを支持する構造を有しているので、圧電フィルムの複数箇所にほぼ同時に引張力が発生し、接触面全体を接触状態に感応する感応面とすることができる。その結果、本発明によれば、従来よりも、人間の指の触覚に近い特性を備えた触覚センサを得ることができる利点が得られる。
１ 触覚センサ
３ 指先挿入用サック
５ センサ素子ユニット
７ 圧電フィルム
９ 第１の支持構造部材
１１ 第２の支持構造部材
１３ 支持構造
１５ シート材料
９３，９７，１１２ 凸部
３ 指先挿入用サック
５ センサ素子ユニット
７ 圧電フィルム
９ 第１の支持構造部材
１１ 第２の支持構造部材
１３ 支持構造
１５ シート材料
９３，９７，１１２ 凸部
Claims (17)
- 検査対象の表面と接触する接触面と、前記表面に前記接触面を押し付けた状態で前記表面と前記接触面との間に相対的な運動を生じさせたときに、前記接触面から伝達される振動によって電圧を誘起する圧電フィルムと、前記振動が前記圧電フィルムに伝達するように前記圧電フィルムを支持する支持構造とを備え、前記圧電フィルムの出力電圧に基づいて前記表面の触覚を計測する触覚センサであって、
前記支持構造は、前記表面に前記接触面を押し付けた状態において、前記圧電フィルムの面方向の少なくとも１つの方向に向かって交互に凹凸が現れるように前記圧電フィルムを変形させて該圧電フィルムを延ばすように支持する構造を有していることを特徴とする触覚センサ。 - 前記支持構造は、前記圧電フィルムの前記少なくとも１つの方向において対向する一対の辺を固定状態とし且つ前記圧電フィルムを間に挟むように配置された硬質の第１及び第２の支持構造部材を備え、
前記第１の支持構造部材及び前記第２の支持構造部材は、それぞれ前記圧電フィルムと対向する対向面に前記圧電フィルムに沿って交互に並ぶ凹部及び凸部を備えており、
前記第１の支持構造部材に設けられた前記凹部及び前記凸部が、前記第２の支持構造部材に設けられた前記凸部及び前記凹部と前記圧電フィルムを介して対向するように、前記第１の支持構造部材及び前記第２の支持構造部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。 - 前記凹部及び凸部は、前記凹部及び凸部が交互に並ぶ方向と直交する方向にそれぞれ連続して延びる形状を有している請求項２に記載の触覚センサ。
- 前記支持構造は、前記圧電フィルムの前記少なくとも１つの方向において対向する一対の辺を固定状態とし且つ前記圧電フィルムを間に挟むように配置された硬質の第１及び第２の支持構造部材を備え、
前記第１の支持構造部材及び前記第２の支持構造部材は、それぞれ前記圧電フィルムに沿って延びる平板部と該平板部の前記圧電フィルムと対向する対向面上に設けられ且つ所定の間隔をあけて延びる複数本の細長い凸部とを備えており、
前記第１の支持構造部材の前記複数本の細長い凸部と、前記第２の支持構造部材の前記複数本の細長い凸部とが、前記圧電フィルムを介して互い違いに並ぶように、前記第１の支持構造部材及び前記第２の支持構造部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。 - 前記凸部が並ぶ方向と直交する方向に前記凸部を切断したときの切断面の輪郭形状が、前記圧電フィルム側に頂点を有する湾曲形状を有している請求項３または４に記載の触覚センサ。
- 前記支持構造は、前記圧電フィルムの前記少なくとも１つの方向において対向する一対の辺を固定状態とし且つ前記圧電フィルムを間に挟むように配置された硬質の第１の支持構造部材及び第２の支持構造部材を備え、
前記第１の支持構造部材及び前記第２の支持構造部材は、それぞれ前記圧電フィルムと対向する対向面に前記圧電フィルムに沿ってマトリックス状に複数の凸部が分散して並ぶ構造を有しており、
前記第１の支持構造部材が有する前記複数の凸部と前記第２の支持構造部材が有する前記複数の凸部とが、前記圧電フィルムを介して対向しないように、前記第１の支持構造部材及び前記第２の支持構造部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。 - 前記複数の凸部は、前記圧電フィルム側に頂点を有する山形形状を有している請求項６に記載の触覚センサ。
- 前記第１の支持構造部材が前記検査対象側に位置する状態で使用され、前記第１の支持構造部材の前記圧電フィルムと対向しない非対向面の形状は凹部と凸部とが交互に現れる形状を有している請求項２乃至７のいずれか１項に記載の触覚センサ。
- 前記第１の支持構造部材の前記非対向面に形成される前記複数の凸部のピッチ寸法が、前記第１の支持構造部材の前記対向面に形成される前記複数の凸部のピッチ寸法よりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の触覚センサ。
- 前記第１の支持構造部材の前記非対向面に形成された前記複数の凸部の先端面が、前記接触面を構成している請求項８または９に記載の触覚センサ。
- 前記第１の支持構造部材の前記非対向面がシート材料により覆われており、
前記シート材料は、前記検査対象と同質または近似した材質の材料によって構成されており、
前記シート材料の前記非対向面と接触しない面が前記接触面を構成している請求項８または９に記載の触覚センサ。 - 隣り合う２つの前記凸部間のピッチ寸法が、１ｍｍ〜９ｍｍであり、前記凸部の高さ寸法が０．５ｍｍ〜２ｍｍである請求項２乃至７のいずれか１項に記載の触覚センサ。
- 前記第１の支持構造部材の前記非対向面に設けられる前記複数の凸部のピッチ寸法が、１ｍｍ〜９ｍｍであり、前記凸部の高さ寸法が０．５ｍｍ〜２ｍｍとなるように前記複数の凸部が設けられている請求項９に記載の触覚センサ。
- 前記第１の支持構造部材が前記検査対象側に位置し、前記第１の支持構造部材には前記検査対象の前記表面上を転動する複数の転動部材が回動自在に支持されており、
前記複数の転動部材の前記表面と接触する外表面が前記接触面を構成している請求項１に記載の触覚センサ。 - 前記第１の支持構造部材には、２本以上の軸が平行に配置されており、前記２本以上の軸の両端に前記転動部材が取り付けられている請求項１４に記載の触覚センサ。
- 検査対象の表面と接触する接触面と、前記表面に前記接触面を押し付けた状態で前記表面と前記接触面との間に相対的な運動を生じさせたときに、前記接触面から伝達される振動によって電圧を誘起する圧電フィルムと、前記振動が前記圧電フィルムに伝達するように前記圧電フィルムを支持する支持構造とを備え、前記圧電フィルムの出力電圧に基づいて前記表面の触覚を計測する触覚センサと、
前記触覚センサを保持し且つ駆動源を備えて該駆動源の駆動力により前記表面に沿って前記触覚センサを移動させる移動機構と、
前記表面に置かれた状態で、前記触覚センサが前記表面上を移動し得るように前記移動機構を保持するハウジングとを具備し、
前記支持構造が、前記表面に前記接触面を押し付けた状態において、前記圧電フィルムの面方向の少なくとも１つの方向に向かって交互に凹凸が現れるように前記圧電フィルムを変形させて該圧電フィルムを延ばすように支持する構造を有していることを特徴とする表面状態評価装置。 - 前記触覚センサを移動させる方向と直交する上下方向に前記移動機構の位置を変位させて、前記触覚センサの前記接触面を前記表面に押し付ける力を設定する押圧力設定機構をさらに備えている請求項１６に記載の表面状態評価装置。
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