WO2022080223A1

WO2022080223A1 - 触覚センサ

Info

Publication number: WO2022080223A1
Application number: PCT/JP2021/037128
Authority: WO
Inventors: 英邦高尾
Original assignee: 国立大学法人香川大学
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2022-04-21
Also published as: EP4227658A4; EP4227658A1; US20230366762A1; CN116368359A; JP2022064347A

Abstract

センサ素子の空間分解能および感度の低下を抑制でき、防水性および防塵性を有する触覚センサを提供する。　触覚センサ（ＡＡ）は、センサ素子（１）と、センサ素子（１）を収容するケーシング（２）とを有する。センサ素子（１）は、基部（１０）と、接触端を有する接触子（２０Ａ）と、接触子（２０Ａ）を基部に対して変位可能に支持する支持体と、接触子（２０Ａ）の基部（１０）に対する変位を検出する変位検出器とを有する。ケーシング（２）は、センサ素子（１）のうち少なくとも接触端を覆う柔軟性を有するフィルムを有する。接触端はフィルム（６０）の内面に固定されている。

Description

触覚センサ

　本発明は、触覚センサに関する。さらに詳しくは、本発明は、人間が感じる触覚の定量化を目的とした触覚センサに関する。

　人間の指先は１００μｍ程度の微細な凹凸と１００μＮ程度の微小な力を認識できるといわれている。このような高空間分解能、高感度の触覚を有することから、人間は触れた物の質感・風合いを知覚できる。医療分野では、この触覚を用いて、医師が直接指で触れることで患部の状態を診断する触診が行なわれている。しかし、触診は内視鏡手術やロボット手術ではできない。そこで、内視鏡などに触覚センサを取り付け、体内の触覚情報を医師に提示することが求められている。

　人間の触覚を工学的に模した触覚センサとして種々のものが開発されている。例えば、特許文献１には微小な接触子を有する触覚センサが開示されている。触覚センサを測定対象物に押し当てながら摺動させ、接触子の変位を検出することで、測定対象物表面の微細な凹凸および微小領域の摩擦力を検知できる。

国際公開第２０１５／１３３１１３号特開２０１１－８５４３５号

　しかし、特許文献１の触覚センサは微細な機械構造が露出している。このような触覚センサを体内の臓器に接触させると、血液が機械構造の隙間に入り込んで固まり、機械構造の動きが阻害される。臓器以外の対象物を測定する場合も同様である。測定対象物の表面に付着した粉塵が隙間に入り込むと、機械構造の動きが阻害される。また、測定対象物の表面に付着した液体により検出回路が短絡することもある。そのため、実用に耐えうる触覚センサとするには、触覚センサを液体や粉塵から保護する必要がある。

　特許文献２には、樹脂ブロックの内部にセンサ素子を埋め込んだ触覚センサが開示されている。このような構成とすれば、センサ素子を液体や粉塵から保護できる。しかし、樹脂ブロックの内部にセンサ素子を埋め込んだ構成では、測定対象物から受ける力が樹脂ブロックで分散されることから、触覚センサの空間分解能も感度も低くなる。そのため、触診に代わる触覚情報を得るという目的には不向きである。

　本発明は上記事情に鑑み、センサ素子の空間分解能および感度の低下を抑制でき、防水性および防塵性を有する触覚センサを提供することを目的とする。

　第１発明の触覚センサは、センサ素子と、前記センサ素子を収容するケーシングと、を備え、前記センサ素子は、基部と、接触端を有する接触子と、前記接触子を前記基部に対して変位可能に支持する支持体と、前記接触子の前記基部に対する変位を検出する変位検出器と、を備え、前記ケーシングは、前記センサ素子のうち少なくとも前記接触端を覆う柔軟性を有するフィルムを備え、前記接触端は前記フィルムの内面に固定されていることを特徴とする。
　第２発明の触覚センサは、第１発明において、前記フィルムは内面に粘着層を有しており、該粘着層により前記接触端が前記フィルムに接着されていることを特徴とする。
　第３発明の触覚センサは、第１または第２発明において、前記接触端はスパイクを有しており、該スパイクが前記フィルムに食い込んでいることを特徴とする。
　第４発明の触覚センサは、第１～第３発明のいずれかにおいて、前記ケーシングは、開口部を有するケーシング本体をさらに備え、前記開口部は前記フィルムにより閉塞されており、前記接触端は前記開口部に配置されており、前記基部は前記ケーシング本体に対して固定されていることを特徴とする。
　第５発明の触覚センサは、第４発明において、前記ケーシング本体は、前記開口部を有し、該開口部が位置する貼付面に前記フィルムが貼り付けられるフレームと、前記フィルムのうち前記開口部に対応する部分以外の部分を覆う外装体と、を備えることを特徴とする。
　第６発明の触覚センサは、第５発明において、前記開口部は掃引方向の端部が半楕円形または半円形であることを特徴とする。
　第７発明の触覚センサは、第５または第６発明において、前記フレームは掃引方向の端部に傾斜面を有することを特徴とする。

　第１発明によれば、センサ素子がケーシングに収容されているので、液体および粉塵がセンサ素子に侵入しない。そのため、触覚センサは防水性および防塵性を有する。また、接触端がフィルムの内面に固定されているので、測定対象物と直接接触するフィルムの動きに追従して接触子が動く。そのため、センサ素子の空間分解能および感度の低下を抑制できる。
　第２発明によれば、接触端がフィルムに接着されているので、フィルムが測定対象物から受ける力が接触子に伝達されやすい。
　第３発明によれば、スパイクにより接触端がフィルムに固定されているので、フィルムが測定対象物から受ける力が接触子に伝達されやすい。
　第４発明によれば、ケーシング本体にフィルムを設けた構成であるので、フィルムの固定が容易である。
　第５発明によれば、外装体によりフィルムの一部が覆われるため、フィルムが測定対象物と接触する面積が小さくなる。そのため、フィルムが測定対象物と擦れて破れることを抑制できる。
　第６発明によれば、開口部の端部が半楕円形または半円形であるので、掃引時にフィルムに生じる応力集中を緩和でき、フィルムの破れを抑制できる。
　第７発明によれば、フレームの端部が傾斜しているので、掃引時に触覚センサが前傾しても、フィルムの一部に強い力がかかりにくく、フィルムの破れを抑制できる。

第１実施形態に係るセンサ素子の平面図である。図（Ａ）は支持体の横梁に歪がない場合の第１、第２歪検出素子の説明図である。図（Ｂ）は支持体の横梁に歪がある場合の第１、第２歪検出素子の説明図である。歪検出回路の回路図である。図（Ａ）は支持体の縦梁に歪がない場合の第３、第４歪検出素子の説明図である。図（Ｂ）は支持体の縦梁に歪がある場合の第３、第４歪検出素子の説明図である。センサ素子を単独で用いた場合の触覚測定方法の説明図である。センサ素子から得られる各種信号を例示するグラフである。第１実施形態に係る触覚センサの縦断面である。センサ素子、フレームおよびフィルムの分解図である。センサ素子、フレームおよび外装体の分解図である。触覚センサの斜視図である。接触子先端部の拡大図である。図（Ａ）は粘着フィルムを接触子に接着した場合の拡大図である。図（Ｂ）は接触端のスパイクをフィルムに食い込ませた場合の拡大図である。図（Ａ）は一形態の開口部の拡大図である。図（Ｂ）は他の形態の開口部の拡大図である。触覚センサによる触覚測定方法の説明図である。触覚センサが前傾した場合の説明図である。第２実施形態に係るセンサ素子の斜視図である。第２実施形態に係る触覚センサによる触覚測定方法の説明図である。図（Ａ）はｚ軸方向の変位に対する反力を示すグラフである。図（Ｂ）はｘ軸方向の変位に対する反力を示すグラフである。約２５０μｍピッチの粗さ標準片を測定した結果を示すグラフである。３２μｍピッチの粗さ標準片を測定した結果を示すグラフである。図（Ａ）は空気中でｚ軸方向の感度を測定したグラフである。図（Ｂ）は水中でｚ軸方向の感度を測定したグラフである。空気中、水中、グリセリン中で測定したガラス板の摩擦係数を示すグラフである。模擬臓器の触覚を測定した結果を示すグラフである。

　つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
〔第１実施形態〕
（センサ素子）
　本発明の第１実施形態に係る触覚センサはセンサ素子を有する。センサ素子の構成は特に限定されないが、例えば以下の構成とすることができる。

　図１に示すように、センサ素子１は半導体基板を半導体マイクロマシニング技術により加工して形成したものである。半導体基板を所定のパターンでエッチングして不要部分を除去することでセンサ素子１の機械構造が形成されている。したがって、センサ素子１は全体として平板状である。センサ素子１の全体的な寸法は特に限定されないが、例えば１～２０ｍｍ四方である。

　センサ素子１はその一側面を測定対象物からの力を受けるセンシング面としている。本実施形態では、センサ素子１の側面のうち図１における上側の側面をセンシング面としている。

　センサ素子１は略矩形の基部１０を有する。基部１０の中央部分には空間部１１が形成されている。また、基部１０のセンシング面側の縁部１２には中央に間隙１３が形成されている。空間部１１は間隙１３を介して基部１０の外部と連通している。

　縁部１２の側面のうちセンシング面の一部を構成する側面を基準面１４と称する。基準面１４は間隙１３により２つに分割されている。なお、一方の基準面１４は他方の基準面１４を延長した面内に配置されている。

　以下、基準面１４を基準としてｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を定義する。ｘ軸およびｙ軸は基準面１４と平行な軸である。ｙ軸はｘ軸に対して垂直である。ｘ軸はセンサ素子１の幅方向に沿っており、ｙ軸はセンサ素子１の厚さ方向に沿っている。ｚ軸は基準面１４に対して垂直な軸である。ｘ－ｚ平面は平板状のセンサ素子１が有する表裏の主面と平行である。ｘ軸に沿った方向をｘ軸方向、ｙ軸に沿った方向をｙ軸方向、ｚ軸に沿った方向をｚ軸方向と称する。

　基部１０の間隙１３には複数の接触子２０Ａ～２０Ｆが配置されている。接触子２０Ａ～２０Ｆの数は特に限定されないが、本実施形態のセンサ素子１は６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。なお、接触子２０Ａ～２０Ｆの数を１つとしてもよい。

　各接触子２０Ａ～２０Ｆは棒状の部材であり、その中心軸がｚ軸に沿って配置されている。また、複数の接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って並んで配置されている。接触子２０Ａ～２０Ｆは２つの基準面１４、１４（縁部１２、１２）の間に並んで配置されている。

　接触子２０Ａ～２０Ｆの先端部を基準面１４から外方に突出させることが好ましい。各接触子２０Ａ～２０Ｆの先端部を接触端２１と称する。接触端２１の側面はセンシング面の一部を構成する。接触端２１の形状は特に限定されないが、半円形または扇形とすればよい。

　全ての接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は、通常、同一形状、同一寸法に設計される。また、通常、接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って等間隔で並べられる。隣り合う接触子２０Ａ、２０Ｂの間隔（中心間距離）は、特に限定されないが、３００～７００μｍが好ましく、例えば５００μｍである。これは、人間の指紋を構成する稜線の間隔と同程度である。このようにすれば、センサ素子１は人間の触覚に近い検知ができると考えられる。

　人間の触覚に近い検知を実現するという観点からは、接触端２１は指紋を構成する隆線の断面と同様の形状、寸法を有することが好ましい。具体的には、接触端２１を半円形とし、その直径を１００～５００μｍとすることが好ましい。

　接触子２０Ａ～２０Ｆの間には隙間が設けられている。したがって、各接触子２０Ａ～２０Ｆの幅寸法は隣り合う接触子２０Ａ、２０Ｂの間隔よりも小さい。各接触子２０Ａ～２０Ｆの幅寸法は、例えば２００～６００μｍである。接触子２０Ａ～２０Ｆの間に隙間が設けられていることから、接触子２０Ａ～２０Ｆは独立して変位できる。

　基部１０の空間部１１には複数の支持体３０Ａ～３０Ｆが配置されている。支持体３０Ａ～３０Ｆは複数の接触子２０Ａ～２０Ｆのそれぞれを基部１０に対して支持する。支持体３０Ａ～３０Ｆの数は接触子２０Ａ～２０Ｆの数と等しい。本実施形態のセンサ素子１は６つの支持体３０Ａ～３０Ｆを有する。各接触子２０Ａ～２０Ｆはそれに対応する支持体３０Ａ～３０Ｆにより支持されている。

　例えば、第１接触子２０Ａと基部１０とは第１支持体３０Ａを介して接続されている。支持体３０Ａは一または複数の横梁３１と、一または複数の縦梁３２と、接続部３３とからなる。横梁３１は接触子２０Ａと接続部３３との間に架け渡されている。縦梁３２は接続部３３と基部１０との間に架け渡されている。なお、接触子２０Ａと接続部３３との間に縦梁３２を架け渡し、接続部３３と基部１０との間に横梁３１を架け渡してもよい。

　横梁３１は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、横梁３１はｘ軸に沿って配置されている。したがって、横梁３１は接触子２０Ａのｚ軸方向の変位を許容する。縦梁３２は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、縦梁３２はｚ軸に沿って配置されている。したがって、縦梁３２は接触子２０Ａのｘ軸方向の変位を許容する。すなわち、接触子２０Ａは基準面１４に対してｘ軸方向およびｚ軸方向に変位可能に支持されている。

　支持体３０Ａを構成する横梁３１および縦梁３２の本数および寸法（長さ、幅）は特に限定されない。支持体３０Ａとして必要な弾性が得られるように、横梁３１および縦梁３２の本数および寸法を設定すればよい。

　他の支持体３０Ｂ～３０Ｆは第１支持体３０Ａと同様の構成である。他の接触子２０Ｂ～２０Ｆも基準面１４に対してｘ軸方向およびｚ軸方向に変位可能に支持されている。なお、支持体３０Ａ～３０Ｆは、所望の弾性を得られればよく、梁以外の部材で構成してもよい。

　センサ素子１のセンシング面に法線力（ｚ軸方向の力）が作用すると、接触子２０Ａ～２０Ｆがｚ軸方向に変位する。また、センサ素子１のセンシング面に接線力（ｘ軸方向の力）が作用すると、接触子２０Ａ～２０Ｆがｘ軸方向に変位する。このような接触子２０Ａ～２０Ｆの変位を検出するために、複数の変位検出器４０Ａ～４０Ｆが設けられている。

　変位検出器４０Ａ～４０Ｆの数は接触子２０Ａ～２０Ｆの数と等しい。本実施形態のセンサ素子１は６つの変位検出器４０Ａ～４０Ｆを有する。変位検出器４０Ａ～４０Ｆにより接触子２０Ａ～２０Ｆのそれぞれの基準面１４に対する変位を独立して検出できる。各変位検出器４０Ａ～４０Ｆはそれに対応する支持体３０Ａ～３０Ｆに設けられている。

　例えば、第１変位検出器４０Ａは第１支持体３０Ａに設けられている。第１変位検出器４０Ａにより第１接触子２０Ａの基準面１４に対する変位を検出できる。変位検出器４０Ａは、接触子２０Ａのｚ軸方向の変位を検出する縦変位検出器４１と、接触子２０Ａのｘ軸方向の変位を検出する横変位検出器４２とからなる。

　図２（Ａ）に示すように、縦変位検出器４１は横梁３１の歪を検出する第１、第２歪検出素子４３、４４からなる。第１、第２歪検出素子４３、４４としてピエゾ抵抗素子を用いることができる。ピエゾ抵抗素子は不純物拡散、イオン注入などの集積回路製造工程、金属配線形成技術などによって半導体基板の表面に形成できる。

　支持体３０Ａを構成する複数の横梁３１のうち一の横梁３１の表面には第１歪検出素子４３が形成されている。また、他の一の横梁３１の表面には第２歪検出素子４４が形成されている。第１、第２歪検出素子４３、４４は、それぞれ階段状に形成されており、横梁３１の一端から中央までは一方の側部に沿い、中央から他端までは他方の側部に沿う形状を有している。また、一方の横梁３１に形成された第１歪検出素子４３と、他方の横梁３１に形成された第２歪検出素子４４とは、それぞれ線対称となる形状を有する。

　図２（Ｂ）に示すように、接触子２０Ａがｚ軸方向に変位すると、横梁３１に歪が生じる。この際、第１、第２歪検出素子４３、４４が正のピエゾ抵抗係数を示す材料であれば、第１歪検出素子４３は引張応力により抵抗が大きくなり、第２歪検出素子４４は圧縮応力により抵抗が小さくなる。接触子２０Ａの変位方向が逆になると、第１歪検出素子４３は圧縮応力により抵抗が小さくなり、第２歪検出素子４４は引張応力により抵抗が大きくなる。

　図３に示すように、センサ素子１の表面には横梁３１の歪を検出する歪検出回路（図１および図２においては図示せず）が形成されている。歪検出回路は、第１、第２歪検出素子４３、４４を直列に接続して両端に電圧Ｖddをかけ、第１歪検出素子４３と第２歪検出素子４４との間の電圧Ｖoutを読み取る回路である。電圧Ｖoutは第１、第２歪検出素子４３、４４の差動により変化する。電圧Ｖoutを読み取ることで横梁３１の歪量を検出できる。これにより、縦変位検出器４１で接触子２０Ａの基準面１４に対するｚ軸方向の変位を検出できる。

　図４（Ａ）に示すように、横変位検出器４２は縦梁３２の歪を検出する第３、第４歪検出素子４５、４６からなる。第３、第４歪検出素子４５、４６としてピエゾ抵抗素子を用いることができる。

　支持体３０Ａを構成する複数の縦梁３２のうち一の縦梁３２の表面には第３歪検出素子４５が形成されている。また、他の一の縦梁３２の表面には第４歪検出素子４６が形成されている。第３、第４歪検出素子４５、４６は対称な階段状に形成されている。

　図４（Ｂ）に示すように、接触子２０Ａがｘ軸方向に変位すると、縦梁３２に歪が生じる。この際、第３、第４歪検出素子４５、４６が正のピエゾ抵抗係数を示す材料であれば、第３歪検出素子４５は引張応力により抵抗が大きくなり、第４歪検出素子４６は圧縮応力により抵抗が小さくなる。接触子２０Ａの変位方向が逆になると、第３歪検出素子４５は圧縮応力により抵抗が小さくなり、第４歪検出素子４６は引張応力により抵抗が大きくなる。

　センサ素子１の表面には縦梁３２の歪を検出する歪検出回路（図１および図４においては図示せず）が形成されている。その回路は図３に示す回路において、第１歪検出素子４３を第３歪検出素子４５に、第２歪検出素子４４を第４歪検出素子４６に置き換えたものである。歪検出回路で縦梁３２の歪を検出する。これにより、横変位検出器４２で接触子２０Ａの基準面１４に対するｘ軸方向の変位を検出できる。

　他の変位検出器４０Ｂ～４０Ｆは第１変位検出器４０Ａと同様の構成である。なお、第１～第４歪検出素子４３～４６はピエゾ抵抗素子に限定されない。例えば、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位により接触子２０Ａ～２０Ｆと基部１０との距離が変化することを利用して、変位検出器４０Ａ～４０Ｆを接触子２０Ａ～２０Ｆと基部１０との間の静電容量を検出する構成としてもよい。

　センサ素子１は、例えば、以下の手順でＳＯＩ基板を加工することにより製造できる。ここで、ＳＯＩ基板は、支持基板（シリコン）、酸化膜層（二酸化ケイ素）、活性層（シリコン）の３層構造を有しており、その厚みは例えば３００μｍである。

　まず、基板を洗浄し、酸化処理を行ない、表面酸化膜を形成する。つぎに、表面酸化膜を加工して回路部となる拡散層パターンを形成し、リン拡散を行なう。つぎに、リンのイオン注入および熱アニールによりピエゾ抵抗素子を形成する。つぎに、基板の裏面にクロム薄膜をスパッタリングし、可動構造部（接触子２０Ａ～２０Ｆおよび支持体３０Ａ～３０Ｆ）をリリースするパターンにクロム薄膜を加工する。つぎに、表面酸化膜を除去し、ＩＣＰ－ＲＩＥでエッチングして可動構造部を形成する。形成した可動構造部の周辺にレジストを充填して保護した後に、裏面をＩＣＰ－ＲＩＥでエッチングする。最後に、中間酸化膜とレジストを除去して可動構造部をリリースする。

　なお、センサ素子１の製造方法は半導体マイクロマシニング技術に限定されない。例えば、センサ素子１の全体または一部を３次元プリンタによる造形技術により形成してもよい。

　つぎに、センサ素子１を単独で用いた場合の触覚測定方法を説明する。
　センサ素子１を用いて測定を行なう際には、センサ素子１のセンシング面を測定対象物に押し当てながら掃引する。そうすると、接触子２０Ａ～２０Ｆがｘ軸方向およびｚ軸方向に変位する。その変位に基づき測定対象物の表面形状、摩擦力などを測定できる。以下、その原理を説明する。

　図５に単一の接触子２０の動きを示す。センサ素子１のセンシング面を測定対象物Ｏに押し当てると、基準面１４は測定対象物Ｏの表面の凹凸のピークを結んだ平面に配置される。そして、接触子２０はセンサ素子１の押し当て力の反力により押し込まれ、ｚ軸方向に変位する。

　センサ素子１のセンシング面を測定対象物Ｏに押し当てたまま、測定対象物Ｏの表面に沿って掃引する。なお、掃引はｘ軸方向に行なわれる。したがって、ｘ軸方向を掃引方向ともいう。センサ素子１を掃引すると、接触子２０は測定対象物Ｏの表面の凹凸に沿ってｚ軸方向に変位する。また、接触子２０は接触端２１と測定対象物Ｏとの間に働く摩擦力によりｘ軸方向に変位する。

　図６に上記操作によりセンサ素子１から得られる各種信号の例を示す。
　（１）のグラフは横軸が時間、縦軸が縦変位検出器４１により検出された接触子２０のｚ軸方向の変位である。センサ素子１を測定対象物Ｏの表面に沿って一定の速度で掃引した場合には、横軸は測定対象物Ｏの表面の位置座標と同義である。接触子２０のｚ軸方向の変位は測定対象物Ｏの表面の凹凸量を意味する。したがって、（１）のグラフは測定対象物Ｏの表面の表面形状（空間波形）を再現したものである。

　（２）のグラフは横軸が時間、縦軸が横変位検出器４２により検出された接触子２０のｘ軸方向の変位である。接触子２０のｘ軸方向の変位は接触端２１と測定対象物Ｏとの間に働く摩擦力を意味する。ここで、接触端２１の測定対象物Ｏとの接触面積は小さいので、接触子２０のｘ軸方向の変位は微小領域の摩擦力を意味する。

　接触子２０のｘ軸方向およびｚ軸方向の変位から測定対象物Ｏの表面の微小領域の動摩擦係数μを求めることができる。横梁３１の弾性率は既知であるため、接触子２０のｚ軸方向の変位から接触子２０にかかる垂直荷重ｆ_zを算出できる。また、縦梁３２の弾性率は既知であるため、接触子２０のｘ軸方向の変位から接触子２０にかかる摩擦力ｆ_xを算出できる。下記の式（１）に従い、垂直荷重ｆ_zおよび摩擦力ｆ_xから測定対象物Ｏの表面の微小領域の動摩擦係数μを算出できる。

　以上のように、接触子２０のｘ軸方向およびｚ軸方向の変位を検出することで、測定対象物Ｏの表面の微細な特性、すなわち微細な凹凸および微小領域の摩擦力を検知できる。

　本実施形態のセンサ素子１は複数の接触子２０Ａ～２０Ｆを有し、接触子２０Ａ～２０Ｆそれぞれの変位を検知できる。そのため、センサ素子１を用いて上記操作を行なえば、複数地点の測定を同時に行なうことができる。これにより、測定対象物Ｏの表面の特性を高い空間分解能で多点検出できる。

（ケーシング）
　図１に示すように、センサ素子１は微細な機械構造が露出している。そのため、図５に示すように、センシング面を測定対象物Ｏに直接接触させてセンサ素子１を掃引すると、測定対象物Ｏの表面に付着している液体や粉塵が機械構造の隙間に入り込む。そうすると、機械構造の動きが阻害され、測定精度が低くなる。

　そこで、図７に示すように、本実施形態の触覚センサＡＡはセンサ素子１を収容するケーシング２を有する。センサ素子１がケーシング２に収容されているので、液体および粉塵がセンサ素子１に侵入しない。すなわち、触覚センサＡＡは防水性および防塵性を有する。

　ケーシング２はフレーム５１と外装体５２とからなるケーシング本体５０を有する。ケーシング本体５０には開口部５３が形成されている。開口部５３はフィルム６０により閉塞されている。センサ素子１はセンシング面が開口部５３に配置され、フィルム６０と密着している。触覚センサＡＡにより触覚を測定する際には、フィルム６０が測定対象物Ｏと直接接触し、センサ素子１のセンシング面はフィルム６０を介して間接的に測定対象物Ｏと接触する（図１４参照）。したがって、センサ素子１はフィルム６０により液体および粉塵から保護される。

　図８に示すように、フレーム５１は略板状の部材である。フレーム５１の表面（一方の主面）は中央部分が外方に突出した四角錐台形となっている。この四角錐台形の面を貼付面５４と称する。フレーム５１の内部には貼付面５４（表面）から裏面に通じるスリット５５が形成されている。スリット５５は貼付面５４の中央部、すなわち最も突出した部分において開口している。この貼付面５４に位置する開口が開口部５３である。スリット５５および開口部５３は横長であり、ｘ軸方向の寸法がセンサ素子１の幅寸法よりも若干長い。また、スリット５５および開口部５３のｙ軸方向の寸法はセンサ素子１の厚さよりも若干長い。

　フレーム５１の貼付面５４にはフィルム６０が貼り付けられる。そのため、開口部５３はフィルム６０により閉塞される。なお、フィルム６０は開口部５３を閉塞すればよく、貼付面５４の全体に貼り付けられる必要はない。

　センサ素子１はフレーム５１の裏面からスリット５５に挿入される。スリット５５に挿入されセンサ素子１はセンシング面がフィルム６０に達する。

　図９に示すように、フレーム５１およびセンサ素子１は外装体５２の内部に挿入される。外装体５２は内部空間を有する略直方体の部材である。外装体５２の一面には内部と外部とを連通する窓５６が形成されている。窓５６は開口部５３よりも一回り大きい開口である。

　図１０に示すように、フレーム５１と外装体５２とを組み合わせると、外方に突出した貼付面５４の中央部が窓５６内に配置される。すなわち、開口部５３の全体が窓５６内に配置される。また、フィルム６０は開口部５３とその周囲に対応する部分が窓５６から露出し、それ以外の部分が外装体５２に覆われる。

　図７に示すように、フレーム５１は外装体５２に対して固定される。フレーム５１と外装体５２との固定方法は特に限定されないが、外装体５２に設けた突起にフレーム５１を係止してもよいし、ボルト、ナットなどの締結具で締結してもよい。

　また、センサ素子１の基部１０はケーシング本体５０に対して固定される。基部１０はケーシング本体５０に対して動かないように固定されていればよく、ケーシング本体５０に直接固定されてもよいし、他の部材を介して間接的に固定されてもよい。固定方法は特に限定されない。なお、センサ素子１の可動構造部（接触子２０Ａ～２０Ｆおよび支持体３０Ａ～３０Ｆ）はケーシング本体５０に対して動くことができる。

　センサ素子１の接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は開口部５３と同一平面内に配置してもよいが、開口部５３から外方に突出させた方が好ましい。このようにすると、図１１に示すように、フィルム６０が接触子２０Ａ～２０Ｆの先端部に押されて、接触端２１の形状に沿って部分的に伸びる。これにより、フィルム６０の外面に接触端２１の形状が現われる。なお、フィルム６０は基準面１４にも密着することが好ましい。

　フィルム６０は柔軟性を有するフィルムであればよい。フィルム６０としてポリウレタン、ラテックスなどの樹脂フィルムを用いることができる。品質の安定性および耐久性の観点から、絆創膏や医療用手袋などの素材として用いられる医療用フィルムがフィルム６０として好適に用いられる。

　触覚を測定する際には、フィルム６０は接触子２０Ａ～２０Ｆと測定対象物Ｏとの間に介在する（図１４参照）。測定対象物から受ける力を分散、減衰させることなく接触子２０Ａ～２０Ｆに伝えるためには、フィルム６０は薄い方が好ましい。一方、フィルム６０は測定対象物と擦れても破れない程度の耐久性が必要である。すなわち、フィルム６０はある程度の耐久性を有する限り薄い方が好ましい。例えば、８μｍ厚の医療用フィルム（ポリウレタンフィルム）であれば、十分に薄く、また十分な耐久性を有する。

　フィルム６０の厚さは接触端２１の直径より十分薄いことが好ましい。具体的には、フィルム６０の厚さは接触端２１の直径以下が好ましく、直径の１／２以下がより好ましく、直径の１／３以下がさらに好ましい。例えば、接触端２１の直径が５００μｍであれば、フィルム６０の厚さは５００μｍ以下が好ましく、２５０μｍ以下がより好ましく、１７０μｍ以下がさらに好ましい。そうすれば、測定対象物から受ける力があまり分散、減衰せず、センサ素子１の性能（空間分解能および感度）を維持できる。

　各接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１はフィルム６０の内面に固定されている。フィルム６０の外面には測定対象物との間に摩擦力が作用する。この摩擦力に抗して接触端２１がフィルム６０に対してずれないように固定されている。接触端２１とフィルム６０との固定方法は特に限定されないが、例えば以下の方法を採用できる。

　図１２（Ａ）に示すように、フィルム６０として基層６１と粘着層６２とを有する層構造のもの、すなわち粘着フィルムを用いればよい。フィルム６０は粘着層６２を内面として設けられる。粘着層６２により接触端２１がフィルム６０に接着される。なお、フィルム６０として粘着フィルムを用いれば、フレーム５１への貼り付けも容易である。

　図１２（Ｂ）に示すように、接触端２１にスパイク２２を設け、スパイク２２をフィルム６０に食い込ませてもよい。スパイク２２の数は特に限定されず、１つでもよいし、複数でもよい。スパイク２２によるフィルム６０の破れを抑制するため、スパイク２２の長さはフィルム６０の厚さの半分以下にすることが好ましい。また、接触端２１にスパイク２２を設けるとともに、フィルム６０として粘着フィルムを用いてもよい。

　このように、接触端２１をフィルム６０に接着することにより、あるいはスパイク２２で接触端２１をフィルム６０に固定することにより、接触端２１がフィルム６０に対してずれなくなる。そのため、フィルム６０が測定対象物から受ける力が接触子２０Ａ～２０Ｆに伝達されやすい。

　本実施形態のセンサ素子１は横長のセンシング面を有する。そのため、図１３（Ａ）に示すように、開口部５３はセンサ素子１の幅方向（ｘ軸方向）に長い長方形とすればよい。触覚を測定する際には、フィルム６０が掃引方向（ｘ軸方向）に測定対象物と擦れる。そのため、開口部５３の掃引方向の端部においてフィルム６０にシワが生じやすい。このシワが原因となってフィルム６０が破れる可能性がある。

　そこで、図１３（Ｂ）に示すように、開口部５３は掃引方向の端部を半楕円形または半円形とすることが好ましい。そうすれば、掃引時にフィルム６０に生じる応力集中を緩和でき、フィルム６０の破れを抑制できる。

　なお、ケーシング２は上記構成に限定されない。ケーシング本体５０はフレーム５１および外装体５２の２つの部材からなる構成でなくてもよい。ケーシング本体５０を１つの部材としてもよいし、３つ以上の部材からなる構成としてもよい。要するに、開口部５３を有するケーシング本体５０にフィルム６０を設け、フィルム６０で開口部５３を閉塞すればよい。そうすれば、フィルム６０の固定が容易である。

　また、センサ素子１を内視鏡、ロボットアームなどの装置に組み込んでもよい。この場合、センサ素子１が組み込まれる装置のケーシングをケーシング本体５０あるいは外装体５２として用いてもよい。すなわち、装置のケーシングに開口部５３を形成し、開口部５３をフィルム６０で閉塞すればよい。

　さらに、ケーシング２はケーシング本体５０を有さなくてもよい。センサ素子１の機械構造の隙間への液体や粉塵の侵入を防止し得る態様で、少なくともセンシング面あるいは接触端２１を覆うようにフィルム６０が設けられていればよい。例えば、センサ素子１の全体をフィルム６０で包んだ構成としてもよい。

（触覚測定方法）
　つぎに、触覚センサＡＡを用いた触覚測定方法を説明する。
　触覚測定における触覚センサＡＡの操作は、基本的にはセンサ素子１を単独で用いた場合と同じである。すなわち、図１４に示すように、触覚センサＡＡを測定対象物Ｏに押し当てながら掃引する。ここで、センサ素子１のセンシング面がフィルム６０を介して測定対象物Ｏに接触するようにする。

　フィルム６０は外装体５２により一部が覆われるため、その分だけフィルム６０が測定対象物Ｏと接触する面積が小さくなる。すなわち、フィルム６０は開口部５３とその周囲に対応する部分のみが測定対象物Ｏと接触する。また、測定対象物Ｏは外装体５２にも接触するため、触覚センサＡＡの押し当て力はフィルム６０のみに作用するのではなく、外装体５２にも分散される。そのため、フィルム６０が測定対象物Ｏと擦れて破れることを抑制できる。

　触覚センサＡＡを測定対象物Ｏに押し当てながら掃引すると、接触子２０Ａ～２０Ｆがｘ軸方向およびｚ軸方向に変位する。その変位に基づき測定対象物Ｏの表面形状、摩擦力などを測定できる。その原理はセンサ素子１を単独で用いた場合と同じである。

　センサ素子１を単独で用いた場合と比較すると、触覚センサＡＡは接触子２０Ａ～２０Ｆがフィルム６０を介して測定対象物Ｏと間接的に接触するという点で異なる。ここで、接触子２０Ａ～２０Ｆがフィルム６０に固定されていないと、特に接線力を受けた場合には、フィルム６０が横にずれるだけで接触子２０Ａ～２０Ｆが変位しない。しかし、本実施形態では、接触端２１がフィルム６０の内面に固定されているので、測定対象物Ｏと直接接触するフィルム６０の動きに追従して接触子２０Ａ～２０Ｆが動く。そのため、センサ素子１の空間分解能および感度の低下を抑制できる。

　触覚センサＡＡを測定対象物Ｏに押し当てながら掃引すると、図１５に示すように、触覚センサＡＡが掃引方向に前傾することがある。この場合、フレーム５１の貼付面５４が開口部５３と面一の平面であると、フレーム５１の掃引方向の端部が測定対象物Ｏに食い込む。そうすると、フィルム６０のうちフレーム５１の掃引方向の端部に対応する部分が強く擦れて、破れる恐れがある。

　この点、本実施形態のフレーム５１は貼付面５４が四角錐台形となっている。すなわち、フレーム５１の掃引方向の端部が傾斜面となっている。この傾斜面は開口部５３から掃引方向に離れるに従い測定対象物Ｏから離れるような傾斜となっている。そのため、掃引時に触覚センサＡＡが前傾しても、フィルム６０の一部に強い力がかかりにくく、フィルム６０の破れを抑制できる。

　以上のように、触覚センサＡＡはセンサ素子１が有する高い空間分解能および感度と、防水性および防塵性を両立できる。そのため、医療、看護、美容健康分野など、汗や血液などが付着する可能性のある環境でも触覚を測定できる。また、粉塵や液滴などが付着する可能性のある工業分野でも触覚を測定できる。

〔第２実施形態〕
　センサ素子の構成は前記実施形態に限定されない。例えば、図１６に示す構成のセンサ素子３を用いてもよい。

　センサ素子３は、主に、基部１０、接触子２０およびダイヤフラム３０を有する。基部１０は円柱状の空間部を有している。その空間部の下側開口部はダイヤフラム３０で閉塞されている。ダイヤフラム３０の中央には円柱状の接触子２０が立設している。すなわち、基部１０が有する円柱状の空間部の中央に接触子２０が設けられている。また、ダイヤフラム３０は接触子２０を基部１０に対して支持する支持体である。

　センサ素子３はその上面を測定対象物からの力を受けるセンシング面としている。したがって、基部１０の上面が基準面１４であり、接触子２０の上面が接触端２１である。

　基部１０と接触子２０との間には接触子２０が揺動可能な隙間が設けられている。ダイヤフラム３０は接触子２０が外力によりｘ軸方向、ｙ軸方向に傾いたり、ｚ軸方向に変位したりすることにより歪む。このようなダイヤフラム３０の変形を検出するために、ダイヤフラム３０には変位検出器が形成されている。

　図１７に示すように、本実施形態の触覚センサＢＢはセンサ素子３がケーシング４に収容されている。ケーシング４は開口部５３を有するケーシング本体５０と、開口部５３を閉塞するフィルム６０とからなる。センサ素子３はセンシング面がフィルム６０の内面に密着している。基部１０はケーシング本体５０に対して固定されており、接触端２１はフィルム６０の内面に固定されている。

　触覚センサＢＢにより触覚を測定する際には、触覚センサＢＢを測定対象物Ｏに押し当てながら掃引する。ここで、センサ素子３のセンシング面がフィルム６０を介して測定対象物Ｏに接触するようにする。

　触覚センサＢＢを測定対象物Ｏに押し当てながら掃引すると、接触子２０がｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向に変位する。その変位に基づき測定対象物Ｏの表面形状、摩擦力などを測定できる。

　つぎに、実施例を説明する。
　第１実施形態の触覚センサＡＡと同様の構成の触覚センサを制作した。センサ素子は半導体基板を加工して形成した。また、ケーシング本体は３次元プリンタで制作した。フィルムとして厚さ８μｍの医療用ポリウレタンフィルム（日東電工株式会社製薄型フィルムドレッシング、優肌パーミロールLite）を用いた。

　フィルム有りの場合と無しの場合のそれぞれで、接触子のｚ軸方向およびｘ軸方向のばね定数を測定した。測定にはｎＮレンジの力分解能を有するマイクロメカニカルテスター（Femtotools社製 FT-MTA03）を用いた。計測プローブをセンサ素子の接触子先端、またはフィルムで覆われた接触子先端に当て、センサ素子のｚ軸方向に微小な変位を連続的に与えた場合の荷重変化（接触子の支持体からの反力の変化）を精密に計測することで、ｚ軸方向のバネ定数を求めた。同様に、計測プローブによってセンサ素子のｘ軸方向に微小な変位を連続的に与えて荷重変化を計測することで、ｘ軸方向のバネ定数を求めた。その結果を、図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）に示す。図１８（Ａ）のグラフの横軸は接触子のｚ軸方向の変位、縦軸は接触子の反力である。図１８（Ｂ）のグラフの横軸は接触子のｘ軸方向の変位、縦軸は接触子の反力である。

　ｚ軸方向のばね定数は、フィルム無し場合は４９．２Ｎ／ｍであり、フィルム有りの場合は５９．６Ｎ／ｍであった。ｘ軸方向のばね定数は、フィルム無しの場合は２０５．６Ｎ／ｍであり、フィルム有りの場合は２１２．１Ｎ／ｍであった。このように、フィルムを設けることにより、ｚ軸方向のばね定数は２１．１％、ｘ軸方向のばね定数は３．２％増加する。これは、接触子と密着したフィルムが弾性を有するためである。

　接触子のばね定数が増加すると、入力に対する接触子の変位が小さくなる。これは、フィルムを設けるとセンサ素子の感度が一定の割合で低下することを意味する。しかし、図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）のグラフから、フィルムを設けても応答の線形性は十分に維持できることが確認できる。

　つぎに、粗さ標準片を用いて触覚の測定を行なった。用いた粗さ標準片は三角形の凹凸が所定のピッチで連続する表面形状である。凹凸を横切る方向に触覚センサを掃引して測定信号を得た。

　図１９に、約２５０μｍピッチの粗さ標準片を測定した場合を示す。凹凸量の信号はフィルムの有無による影響が確認されなかった。一方、摩擦力の信号はフィルム無しの場合に比べて、フィルム有りの場合の方が、波形が滑らかになっている。これは、フィルムによって、粗さ標準片の凹凸に対する接触子の接触が緩衝されているためと考えられる。

　図２０に、３２μｍピッチの粗さ標準片を測定した場合を示す。フィルム無しの場合に比べて、フィルム有りの場合は、凹凸量の振幅が低下していることが確認される。しかし、凹凸の認識は可能である。したがって、フィルムを設けたとしても５０μｍ以下の空間分解能を維持できることが確認された。

　以上のように、フィルムを設けることによりセンサ素子の機械的特性が変化するといえる。しかし、硬い接触子の端部よりも、柔軟性を有するフィルムの方が、人間の皮膚に近い。したがって、フィルムを設けた方が、人間の触覚に近い条件で触覚を測定できているとも考えられる。

　つぎに、空気中および水中での触覚センサの感度を測定した。図２１（Ａ）は空気中で測定対象物から受けるｚ軸方向の力に対する感度を測定したグラフである。図２１（Ｂ）は水中で測定対象物から受けるｚ軸方向の力に対する感度を測定したグラフである。図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）のグラフの横軸は接触子のｚ軸方向の変位であり、縦軸は縦変位検出器で測定された抵抗値の変化率である。各グラフの傾きから感度を求めた。

　空気中の感度は７３９ｐｐｍ／μｍ、水中での感度は７３５ｐｐｍ／μｍであった。これより、空気中でも水中でも感度に変化がないことが確認された。また、水中での測定でも、センサ素子に水の侵入はなく、検出回路の短絡などは生じなかった。

　つぎに、空気中、水中、グリセリン中で、表面が平らなガラス板の表面を触覚センサで掃引して摩擦係数を求めた。その結果を図２２に示す。図２２より、グリセリン中での摩擦係数が他の場合よりも低いことが分かる。これはグリセリンの潤滑剤としての作用によるものである。このように、液中における摩擦力も正確に測定できることが確認された。

　つぎに、手術訓練などに使用される模擬臓器の表面を触覚センサで測定した。使用した模擬臓器は７０％以上の水分を含んでおり、表面には微細な凹凸が存在している。また、模擬臓器の一部に周りの組織よりも硬い模擬血管が埋め込まれている。模擬血管を横切る方向に触覚センサを掃引し、触覚を測定した。

　その結果を図２３に示す。触覚センサにより模擬臓器表面の微細な凹凸と摩擦力を高い分解能で検出できることが確認された。また、凹凸および摩擦力の波形から、模擬臓器に埋め込まれた模擬血管の位置を識別できる。これより、触覚センサにより湿った測定対象物の触覚を測定可能であり、医療用途にも適用可能であることが確認された。

　ＡＡ、ＢＢ　　　触覚センサ
　１、３　　　　　センサ素子
　２、４　　　　　ケーシング
　１０　　　　　　基部
　２０Ａ～２０Ｆ　接触子
　２１　　　　　　接触端
　３０Ａ～３０Ｆ　支持体
　４０Ａ～４０Ｆ　変位検出器
　５０　　　　　　ケーシング本体
　５１　　　　　　フレーム
　５２　　　　　　外装体
　５３　　　　　　開口部
　５４　　　　　　貼付面
　６０　　　　　　フィルム

Claims

　センサ素子と、
前記センサ素子を収容するケーシングと、を備え、
前記センサ素子は、
基部と、
接触端を有する接触子と、
前記接触子を前記基部に対して変位可能に支持する支持体と、
前記接触子の前記基部に対する変位を検出する変位検出器と、を備え、
前記ケーシングは、前記センサ素子のうち少なくとも前記接触端を覆う柔軟性を有するフィルムを備え、
前記接触端は前記フィルムの内面に固定されている
ことを特徴とする触覚センサ。
　前記フィルムは内面に粘着層を有しており、該粘着層により前記接触端が前記フィルムに接着されている
ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
　前記接触端はスパイクを有しており、該スパイクが前記フィルムに食い込んでいる
ことを特徴とする請求項１または２記載の触覚センサ。
　前記ケーシングは、開口部を有するケーシング本体をさらに備え、
前記開口部は前記フィルムにより閉塞されており、
前記接触端は前記開口部に配置されており、
前記基部は前記ケーシング本体に対して固定されている
ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の触覚センサ。
　前記ケーシング本体は、
前記開口部を有し、該開口部が位置する貼付面に前記フィルムが貼り付けられるフレームと、
前記フィルムのうち前記開口部に対応する部分以外の部分を覆う外装体と、を備える
ことを特徴とする請求項４記載の触覚センサ。
　前記開口部は掃引方向の端部が半楕円形または半円形である
ことを特徴とする請求項５記載の触覚センサ。
　前記フレームは掃引方向の端部に傾斜面を有する
ことを特徴とする請求項５または６記載の触覚センサ。