センシング装置
【目的】 検出できる接触状態、即ち検出できる外力の範囲が広い振動型の触覚センサを提供する。
【構成】 弾性金属と、該弾性金属の表面に形成された強磁性体膜と、該強磁性体膜の上に形成された第１の電極及び第２の電極と、を備える触覚センサ本体部と、第１の電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、第２の電極の出力を検出する検出回路部と、を備える触覚センサであって、触覚センサ本体部が複数の共振モードで共振するように、第１の電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させ、前記触覚センサ本体部において被検体へ接触する部分に弾性体を配設し、該弾性体のばね定数は外力の変化に応じて変化するものである。
【構成】 弾性金属と、該弾性金属の表面に形成された強磁性体膜と、該強磁性体膜の上に形成された第１の電極及び第２の電極と、を備える触覚センサ本体部と、第１の電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、第２の電極の出力を検出する検出回路部と、を備える触覚センサであって、触覚センサ本体部が複数の共振モードで共振するように、第１の電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させ、前記触覚センサ本体部において被検体へ接触する部分に弾性体を配設し、該弾性体のばね定数は外力の変化に応じて変化するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚センサに関する。この触覚センサは振動型センサであり、触覚センサとして好適に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
圧電バイモルフ素子などを利用した触覚センサが種々提案されている（特許文献１〜特許文献５参照）。
また、特許文献６には、センサ本体部の振動を利用した触覚センサが提案されている。この触覚センサは弾性金属と、該弾性金属の表面に形成された強磁性体膜と、該強磁性体膜の上に形成された第１の電極及び第２の電極と、を備える触覚センサ本体部と、第１の電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、第２の電極の出力を検出する検出回路部と、を備えてなる。そして、第２の電極の出力に基づき、センサ本体部と被検体との接触状態の変化を検出する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１５７４号公報
【特許文献２】特開平１０−２３９１７３号公報
【特許文献３】特表平８−５０１８９９号公報
【特許文献４】特開２０００−７１１９１号公報
【特許文献５】特開２００２−２３６０５９号公報
【特許文献６】特開２００３−３４４１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献６に記載の触覚センサはＤＮＡ分子、細胞及び微生物等の微小な被検体に対する接触状態を検出するためのものであるため、高い感度にチューニングされている。従って、検出できる接触状態、即ち検出できる外力の範囲が狭い。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、次なる構成の本発明に想到した。
即ち、基材と、該基材に設けられた圧電部と、該圧電部に電気的に接続された駆動用電極及び検出用電極と、を備える触覚センサ本体部と、
前記駆動用電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、
前記検出用電極の出力を検出する検出回路部とを備え、
前記駆動電圧の印加により前記圧電部が振動し、当該振動を前記検出回路部が前記検出用電極からの出力でもって検出することができるセンシング装置において、
前記触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、前記駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させる加振周波数設定部を備え、
前記触覚センサ本体部に加わる外力を緩和する緩衝部材を、前記触覚センサ本体部と被検出体との間に介在させた状態で、前記共振周波数設定部によって設定された１つの共振モードで前記触覚センサ本体部を共振させる、ことを特教とするセンシング装置。
上記の構成において、緩衝部材は、外力が加わることで変形して、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる高分子材料またはスポンジからなるのが好ましい。
また、緩衝部材は、触覚センサ本体部において被検体へ接触する部分に配設可能な弾性体であり、該弾性体の弾性係数(バネ係数)は外力の変化に応じて変化するものであるのが好ましい。
また、検出用電極の出力が所定の閾値を下回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を大きくするように、前記駆動電圧の周波数を設定できたり、また、前記検出用電極の出力が別の閾値を上回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を小さくするように、前記駆動電圧の周波数を設定することができるのが好ましい。
また、センシング装置は、前記触覚センサ本体部に加わる外力を算出することができる外力算出部を備えるのが好ましい。更に、センシング装置は、前記外力算出部から算出される外力から、前記緩衝部材の弾性係数を算出することができる弾性係数算出部を備えるのが好ましい。
【発明の効果】
【０００６】
上記のように構成されたセンシング装置によれば、緩衝部材が触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる。仮に、触覚センサ本体部と被検出体との間に緩衝部材が無い場合、触覚センサ本体部に加わる外力によって、触覚センサ本体部が共振モードで共振することができない虞があり、検出用電極は十分に出力できない虞がある。しかし、触覚センサ本体部と被検出体との間に介在する緩衝部材が、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することで、前記触覚センサ本体部が共振モードで共振することが可能となり、検出用電極は十分に出力できる。そして、加振周波数設定部は、触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させるので、一つの共振モードでのみ共振する構成に比べて、検出することができる接触状態、即ち、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
また、駆動電圧の印加により圧電部が振動し、触覚センサ本体部が共振モードで共振し、当該触覚センサ本体部の振動を検出回路部が検出用電極からの出力でもって検出することができるので、例えば、駆動電圧を印加しても検出用電極からの出力が不十分な場合、圧電部、検出回路部等が故障していることが分かり、修理等の対応が可能となる。それにより、センシング装置の品質が維持されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
この発明のセンシング装置としての触覚センサ１の構成を図１に示す。図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ触覚センサの拡大側面図、要部平面図、及び要部底面図である。
触覚センサ１は触覚センサ本体部３、駆動電圧印加回路部１１、検出回路部１３、加振周波数設定部としての共振周波数調整部１５及び緩衝部材としての弾性体２０を備えてなる。
触覚センサ本体部３は基材５となる弾性材料の表面に圧電材料膜６を形成する。
ここに、基材５は弾性がありかつ導電性を有するものとする。基材５が弾性を有することにより振動が生じ、また導電性を有することによりその表面の圧電材料膜６へ均等に電圧を印加することができる。かかる特性を有する材料としてチタンその他の金属を挙げることができる。また、弾性を有する導電性樹脂を用いることもできる。弾性を有する樹脂の表面へ金属層を形成したもの基材として用いてもよい。
基材５は複数の共振モードを有するものとし、その範囲で材質、形状、厚さなどを任意に選択できる。
【０００８】
基材５の表面に圧電部としての圧電材料により膜６を形成する。
圧電材料としてＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）やチタン酸バリウムなどの周知の材料を用いることができる。圧電材料膜６の膜厚は第２の電極からの出力、基板の振動に対するＱ値、振幅などを考慮して適宜選択される。
圧電材料膜６は少なくとも基材の一部分に形成されればよい。
【０００９】
駆動用電極としての第１の電極７及び検出用電極としての第２の電極８は基材の共振を阻害しないように膜６上に形成される。従って、これら電極は薄膜状にすることが好ましい。薄膜状の電極は真空蒸着、スパッタリング及びその他の周知の方法で形成することができる。
第１の電極７及び第２の電極８の形成材料も特に限定されるものではないが、圧電材料膜との接着性がよくかつ接触抵抗の小さい材料を選択することが好ましい。かかる電極の材料として、アルミニウム、金、ニッケル、ＩＴＯなどを挙げることができる。
第１の電極７及び第２の電極８の形成位置、及びその形状も特に限定されるものではないが、図１（Ｂ）、（ｃ）に示すように、基板のほぼ中央に、周縁部分から少々マージンをとって形成することが好ましい。基板の周縁部分に対してマージンをとるのは、第１の電極７と第２の電極８とのショートを確実に防止するためである。
【００１０】
駆動電圧印加回路部１１は第１の電極と基材５との間へ駆動電圧として交流を印加し、もって基材５を共振させる。共振が可能であれば、基材５の保持の態様は片持ちはりであっても両持ちはりであってもよい。この発明では、基材５の共振モードを変更するために、共振周波数調整部１５が備えられ、第１の電極７へ印加される駆動電圧の周波数が調整される。
触覚センサ本体部３が共振状態あるとき、これに外力がかかると第２の電極８と基材５との間に電圧が発生する。この電圧を検出回路部１３で検出する。この電圧は外力の大きさの変化に対して一定の関係をもって変化する。
【００１１】
この発明では、触覚センサ本体部３に対して弾性体２０を介して外力がかかる構成とした。換言すれば、触覚センサ本体部３において被検体へ接触する部分に弾性体２０を介在させるようにした。この弾性体２０は、図２Ａに示すように、外力Ｆの強さに対するその変形量ｘが直線関係になく、その結果、図２Ｂに示すように、外力Ｆの変化にともないそのばね定数ｋが変化（累積的に増加）する材料からなる。かかる材料としてポリウレタン等の高分子材料からなるゲルを挙げることができる。そのほか、スポンジ材料（高分子材料に限られない）を用いることもできる。
柔軟なゲルを触覚センサ本体部３と被検体との間に介在させることにより、触覚センサ本体部３に加わる外力を緩和させることができ、更に触覚センサは被検体に対する接触感が柔らかとなる。そのため、人、動物、植物などへの接触を図るときに好適なものとなる。
【００１２】
弾性体と触覚センサ本体部との間に空間があることが好ましい。これは、触覚センサ本体部３の無負荷状態の振動時に弾性体２０からの影響を排除するためである。そして、弾性体２０を介して被検体へ触覚センサ本体３を接触させたとき、弾性体２０が触覚センサ本体３へ触れることとなる。
なお、無負荷状態において触覚センサ本体部３と弾性体２０とを接触状態とすることもできる。この場合、両者の接触を考慮して、触覚センサ本体部３に印加する駆動電圧の共振周波数が調整される。
【００１３】
かかる構成の触覚センサの特性について説明する。
センサは直径2tsの円柱形基板の表面に厚みtpの圧電材料膜を成膜したものとする（図３参照）。
圧電解析より、(1)アクチュエータ電極への入力電圧とその時のはりに生じる曲げモーメントとの関係と、(2)たわみuの時のセンサ電極の出力電圧を導出する。解析モデルを図４に示す。圧電基本式は、Sx：ひずみ，Yp：圧電薄膜のヤング率，σx：応力，d31：圧電定数，Er：電界，Dr：電束密度，ε3：誘電率とすると
【数１】
【数２】
となり、アクチュエータ電極へ電圧を印加した時、それによって生じるはりの曲げモーメントmxは、Vi：入力電圧とすると、(1)式より
【数３】
となる。たわみuの時のセンサ電極の電圧Vは、Cp：静電容量とすると、(2)式より
【数４】
となる。
【００１４】
はりのたわみuを、モード解析法を用いて導出する。解析モデルは、一端固定、他端弾性支持はりとした(図５参照)。弾性支持としたのは、ゲルに力を加えた時、ゲルの弾性定数が変化し、それによりたわみuが変化すると考えたからである。はりのたわみuは、このはりの基準関数をUr(x)，基準座標をξr(t)とすると
【数５】
【数６】
【数７】
で表される。ここで，基準座標は，ωr：固有振動数，Pr：換算外力，Mr：換算質量，Xr：任意定数，c：減衰係数，l：長さ，E：ヤング率，I：断面2次モーメント，ρ：密度，A：断面積とすると
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
で表される。Prは、バネ定数をkとし、バネから受ける力と逆圧電効果による力Pを考慮すると
【数１２】
【数１３】
となり、はりのたわみは
【数１４】
となる。振動型センサは共振周波数で使われるので、ω=ωrとし、共振している時、他の振動モードの影響は非常に小さいため、それを無視すると
【数１５】
【数１６】
となる。
【００１５】
共振しているセンサの出力電圧は、(15)式を(4)式に代入して
【数１７】
となり、(3)式と(12)式より
【数１８】
となり、(18)式を(17)式に代入して
【数１９】
【数２０】
【数２１】
となる。感度をVrのkに関する導関数と定義すると、感度Srは
【数２２】
となる。
センサの解析結果を用い、共振モードとしての1-4次モードの(1)センサ出力とバネ定数の関係、(2)感度とバネ定数の関係について考察する。
【００１６】
1-4次モードのセンサ出力-バネ定数曲線を(19)式より導出した(図６参照)。さらに、振動モードとセンサ出力-バネ定数曲線の関係をより明確にするために、バネ定数が0の時（即ち、外力が０のとき）のセンサ出力を1次モードの値に合わせたグラフを図７に示す。このグラフより、振動モードによってセンサの特性が大きく異なることがわかる。
図６より、共振モードのうちの１次モードによる検出中においては、第２の電極８からの出力電圧が第１の閾値Ｓ１以下になると、振動モードを２次モードに変更し当該モードでの検出を行うことが好ましいことがわかる。同様に、２次モードによる検出中に出力電圧が第２の閾値Ｓ２以下になると、振動モードを３次モードとすることが好ましい。３次モードによる検出中に出力電圧が第３の閾値Ｓ３以下になると、振動モードを４次モードとすることが好ましい。また、２次モードによる検出中に出力電圧が第４の閾値Ｓ４以上になると、振動モードを１次モードとすることが好ましい。３次モードによる検出中に出力電圧が第５の閾値Ｓ５以上になると、振動モードを２次モードとすることが好ましい。４次モードによる検出中に出力電圧が第６の閾値Ｓ６以上になると、振動モードを３次モードとすることが好ましい。従って、共振周波数調整部１５は、触覚センサ本体部３が４つの共振モードで共振するように第１の電極７へ印加する駆動電圧の周波数を変化させることが可能であり、閾値に対する大小によって、設定された１つの共振モードで触覚センサ本体部３を共振させることができる。共振周波数調整部１５は、触覚センサ本体部３が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、第１の電極７へ印加する駆動電圧の周波数を変化させることができるので、一つの共振モードでのみ共振する構成に比べて、検出することができる接触状態、即ち、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
なお、触覚センサ本体部３が共振する４つの共振モードのうちの一つの共振モードの選定については、被検体及び弾性体等の種類等に応じて予め設定してもよい。更には、共振モードを変更可能な制御装置を付加する構成を追加してもよい。この場合、共振周波数調整部１５及び共振モードを変更可能な制御装置が、加振周波数設定部として機能することになる。
これにより、広いばね定数の範囲おいて正確な検出が可能となる。ばね定数と外力とは一対一の関係にあるので、ばね定数から外力を特定することができる。即ち、この発明によれば広い範囲の外力を正確に測定可能である。
【００１７】
1-4次モードの感度-バネ定数曲線を図７と(19)式より導出した(図８)。図８より、k<0.8では1次モードの、0.8<k<3.4では2次モードの、3.4<k<7.3では3次モードの、7.3<kでは4次モードの感度が最も高い事がわかる。すなわち、他の振動モードと比較した場合、振動モードが高いほどバネ定数の高い範囲で高感度である事がわかる。
【実施例】
【００１８】
次に、上記の特性を確認するための実施例について説明する。
実験に使用するセンサを水熱法を用いて製作した。水熱法を用いたのは曲面形状の基板であっても表面に均質に成膜できるからである。センサの製作プロセスを図９に示す．基板には直径：1mm，長さ5mmのチタン金属を用いた．PZT薄膜の膜厚は25μmとした。
【００１９】
振動モードによって、センサの特性がどのように変化するかを調査するため、実験を行った。実験システムを図１０に示す。片持ちはりにゲルを付け、センサをそのゲルに接触させた時のはり先端の変位をレーザ変位計(Keyence, LC-2420)を用いて計測した。片持ちはりには幅：5mm，厚み：1mmのアルミの四角柱を用い、ゲルには幅：5mm，厚み5mm，長さ：7.5mmのポリウレタンを用いた。
ゲルの特性を図１１及び図１２に示す。
また、片持ちはりの先端の変位uは
【数２３】
を用いて力Ｆに変換した。ここで、EI：曲げ剛性、l：長さである。
【００２０】
実験結果を図１３に示す。これより、1次モードと比較して、2次モードの方がより大きな力に対してセンサ出力の変化量が大きく、広範囲で力計測が可能である事がわかる。図１４は、力が0の時のセンサ出力を1次モードの値に合わせたグラフである。図７と比較すると、定性的に一致している事がわかる。
【００２１】
センサの応用として、ロボットフィンガを設計し、その実験を行った。
ロボットフィンガの斜視図を図１５，その内部構造を図１６に示す。センサ数は9個とした。
図１７(a),(b),(c),(d)に実験用ロボットフィンガとその構造を示す。まず、センサをクランプ側の中央と指先側の中央に配列した(a)。次に、より正確に接触位置を把握するためにフレームを作製した(b)。次に、センサの上面のみがゲルと接触するようにフレームとゲルを組み合わせた(c)。最後に、(a)と(c)を組み合わせ、ロボットフィンガとした(d)。
【００２２】
図１７のロボットフィンガを用いて実験を行った。実験システムを図１８に示す。直径5mmのアルミニウムの丸棒を用い、クランプ側から7mm，14mm，21mmの位置の中央に100gと200gの荷重を加えた。実験結果を図１９−２１に示す。図１９及び図２１より、接触位置とセンサの反応位置が対応している事がわかる。また、荷重を大きくする事により、もう一方のセンサも徐々に反応して行く事がわかる。図２０より、間に荷重を加えた場合，両方のセンサが反応している事がわかる。以上より、このロボットフィンガは接触位置と接触力が認識可能である事がわかる。
【００２３】
図２２にこの発明のセンサを用いた玩具３０を示す。なお、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の玩具３０では、触覚センサ本体部３の全体がゲル状の弾性体３１で覆われ、幼児がこれを把持可能となっている。検出回路部１３で検出された第２の電極の出力電圧とそのときの共振モードとに基づき、ばね定数特定部４１は、図６の関係を参照して、把持された状態の弾性体３１のばね定数を特定する。
加振周波数設定部としての共振モード切替部４３は、第２の電極８の出力が所定の閾値を下回ったときに共振モードの次数を大きくするように、また、第２の電極８の出力が所定の閾値を上回ったときに共振モードの次数を小さくするように、加振周波数設定部としての共振周波数調整部１５を制御する。これにより、切り替えられた共振モードを実現する周波数の駆動電圧が駆動電圧印加回路部１１より第１の電極７に供給されることとなる。それとともに、切り替えられた共振モードに応じて発光表示部３５のランプを選択的に点灯させる。例えば、１次共振モードのときは１つのランプを点灯し、２次共振モードのときは２つのランプを点灯し、３次共振モードのときは４つのランプを点灯し、４次共振モードのときは４つのランプを点灯する。
【００２４】
このように構成された玩具によれば、センサ本体部３を把持する力の強さに応じて発光表示部３の発光態様が変化することとなるので、幼児は玩具に対し強い関心を示し、幼児の保護者の購買意欲を喚起することとなる。この実施例では選択された共振モードに応じてランプの点灯数を変化させているが、発光色を変化させるようにすることもできる。また、発光の代わりに、音声出力をしてその周波数、振幅等を変化させてもよい。
この発明の玩具ではセンサ本体部３がゲルで覆われているので感触が柔らかく、特に幼児向けのものとして好適である。また、センサ本体部３の構造がシンプルであるため、機械的剛性及び耐久性が高く、玩具として好適である。
【００２５】
次に、複数の触覚センサを集積した集積センサ５０及びその製造方法について説明する。
まず、図２３に示すように、円柱や四角柱等の細長い基材に圧電薄膜を成膜する。その後、電極を両面に蒸着するし、分割して触覚センサ本体部５１を得る。
他方、図２４に示すように、触覚センサ本体部５１の一端を挿入する孔をあけた土台を準備し、これに配線をプリントする。そして、土台の各孔へ触覚センサ本体部５１を挿入することによりこれを組付ける。その後、電極に対して駆動電圧印加回路及び検出回路からの配線をつなぎ（図示省略）、ゲル５３で触覚センサ本体部５１を全体的に覆う。
このようにして集積センサ５０を容易に形成することができる。
【００２６】
次に他の集積センサ６０の説明をする。
図２５に示すように、この集積センサ６０は平板状の触覚センサ本体部６１が振動可能なようにその周縁部を土台７１へ固定して、その上に弾性体７５を被覆した構成である。
触覚センサ本体部６１は図２６に示すように形成される。まず、チタン製の基板６２にスリット６３を形成する。このスリット６３は基板６２の１つの縁で終了し、もって基板はその一体性が保たれている。これにより、基板６２の取り扱いが容易になる。その後、圧電材料により圧電薄膜を成膜する。そして、基板６２の上下面の同じ位置にアルミニウムを蒸着して電極とする。これにより、スリット６３、仮想線６４及び基板の周縁で囲まれた部分に平板状の触覚センサ本体部６１が形成される。この実施例では９つの触覚センサ本体部６１が集積されている。
【００２７】
図２７は土台７１の構成を示し、図２７（Ａ）はその上面図、図２７（Ｂ）はその側面図である。
この土台７１はリブ７２を備えている。
かかる土台７１のリブ７２へ、図２５に示すように、基板６２を固定する。このとき、各触覚センサ本体部６１の一対の縁部（図２６では図中上下方向の縁部）がリブ７２で固定される。これにより、各触覚センサ本体部６１は機械的に独立したものとなる。他方、各触覚センサ本体部６１の他方の縁部はスリット６３で物理的に分離されている。
最後に、図２５に示すように、ゲルなどの弾性体７５を触覚センサ本体部６１へ被覆して集積センサ６０が完成する。この実施例では、基板の全体に弾性体７５を被覆したが、触覚センサ本体部６１毎に弾性体７５を被覆してもよい。
【００２８】
このように固定された各触覚センサ本体部６１は一方の電極へ駆動電圧を印加することにより振動可能となる。そして、その周波数を調整することにより任意の次数で共振させることができる。他方の電極からは出力電圧が得られる。この実施例の触覚センサにおいても、共振モードの次数を大きくすることにより、感度が低下することが確認できた。これにより、触覚センサ本体部へ印加する駆動電圧の周波数に変化を与えて共振モードを調整することにより、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
かかる構成の集積センサ６０によれば、これを構成する全ての機械的要素が板状であり、それらを単に積層することにより形成される。従って、その製造が極めて容易になる。
【００２９】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
例えば、次のような回路構成を追加しても良い。
即ち、検出回路部１３にメモリを接続させるとともに、当該メモリに制御装置を接続させる回路を追加する。この場合、触覚センサ本体部３に加わる外力と検出回路部１３の出力との関係を予め実験でもって把握し、当該外力と検出回路部１３の出力とを関係付けた関連データを当該メモリに記憶させる。制御装置は、メモリから読み出した関連データに基づき、検出回路部１３の出力に対応する外力の大きさを把握することができる。それにより、制御装置は、メモリから読み出した関連データに基づき、触覚センサ本体部３に加わる外力を算出することができるので、制御装置およびメモリは、外力算出部として機能することになる。
更に、他の変形例として、次のような構成を採用しても良い。即ち、弾性体の変位量と、触覚センサ本体部３に加わる外力と、検出回路部１３との出力関係を予め実験で把握する。そして、弾性体の変位量、外力、検出回路部１３の出力の関係を導出した関係データを当該メモリに記憶させる。制御装置は、当該メモリから関係データを読み出すことで、検出回路部１３の出力から弾性体の変位量と外力の関係を把握できる。この場合、制御装置およびメモリは算出される外力と変位量との関係から、弾性体の弾性係数を算出することができる。その結果、制御装置およびメモリは、弾性係数算出部として機能することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１はこの発明の触覚センサの構造を示す模式図である。
【図２】図２は弾性体の特性を示し、図２Ａは変形量と外力との関係を示し、図２Ｂは外力とばね定数との関係をしめす。
【図３】図３はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。
【図４】図４はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。
【図５】図５はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。
【図６】図６はこの発明の触覚センサの出力と弾性体のばね定数との関係を、共振モード別に示す。
【図７】図７は外力がゼロのときの触覚センサの出力を基準として各共振モードにおけるセンサ出力とばね定数との関係を示す。
【図８】各共振モードにおけるばね定数と感度との関係を示す。
【図９】図９は実施例の触覚センサの製造方法を示す。
【図１０】図１０は実施例の触覚センサの特性の測定方法を示す。
【図１１】図１１は実施例で用いた弾性体の変形量と外力との関係を示す。
【図１２】図１２は同じく外力とばね定数との関係を示す。
【図１３】図１３は各共振モードにおける実施例の触覚センサの外力とセンサ出力との関係をしめす。
【図１４】図１４は外力がゼロのときの実施例の触覚センサの出力を基準として各共振モードにおけるセンサ出力とばね定数との関係を示す。
【図１５】図１５は実施例のロボットフィンガを示す斜視図である。
【図１６】図１６は同じくロボットフィンガの内部構造を示す。
【図１７】図１７は実施例のロボットフィンガの構造を示す分解斜視図である。
【図１８】図１８は図１７のロボットフィンガの特性検査の実験方法を示す図である。
【図１９】図１９は図１８による実験の結果を示す。
【図２０】図２０は図１８による実験の結果を示す。
【図２１】図２１は図１８による実験の結果を示す。
【図２２】図２２は実施例の玩具の構造を示す。
【図２３】図２３は実施例の集積センサを製造する方法を説明する図である。
【図２４】図２４は同じく集積センサを製造する方法を説明する図である。
【図２５】図２５は他の実施例の集積センサを示す図であり、図２５Ａは上面図、図２５Ｂは側面図である。
【図２６】図２６は他の実施例の集積センサを製造する方法を説明する図である。
【図２７】図２７は同じく他の実施例の集積センサに使用される土台の構成を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１ 触覚センサ（センシング装置）
３、５１、６１ 触覚センサ本体部
５ 基材
６ 圧電材料膜（圧電部）
７ 第１の電極（駆動用電極）
８ 第２の電極（検出用電極）
１１ 駆動電圧印加回路部
１３ 検出回路部
１５ 共振周波数調整部（加振周波数設定部）
２０、３１ 弾性体（緩衝部材）
４３ 共振モード切替部（加振周波数設定部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚センサに関する。この触覚センサは振動型センサであり、触覚センサとして好適に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
圧電バイモルフ素子などを利用した触覚センサが種々提案されている（特許文献１〜特許文献５参照）。
また、特許文献６には、センサ本体部の振動を利用した触覚センサが提案されている。この触覚センサは弾性金属と、該弾性金属の表面に形成された強磁性体膜と、該強磁性体膜の上に形成された第１の電極及び第２の電極と、を備える触覚センサ本体部と、第１の電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、第２の電極の出力を検出する検出回路部と、を備えてなる。そして、第２の電極の出力に基づき、センサ本体部と被検体との接触状態の変化を検出する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１５７４号公報
【特許文献２】特開平１０−２３９１７３号公報
【特許文献３】特表平８−５０１８９９号公報
【特許文献４】特開２０００−７１１９１号公報
【特許文献５】特開２００２−２３６０５９号公報
【特許文献６】特開２００３−３４４１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献６に記載の触覚センサはＤＮＡ分子、細胞及び微生物等の微小な被検体に対する接触状態を検出するためのものであるため、高い感度にチューニングされている。従って、検出できる接触状態、即ち検出できる外力の範囲が狭い。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、次なる構成の本発明に想到した。
即ち、基材と、該基材に設けられた圧電部と、該圧電部に電気的に接続された駆動用電極及び検出用電極と、を備える触覚センサ本体部と、
前記駆動用電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、
前記検出用電極の出力を検出する検出回路部とを備え、
前記駆動電圧の印加により前記圧電部が振動し、当該振動を前記検出回路部が前記検出用電極からの出力でもって検出することができるセンシング装置において、
前記触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、前記駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させる加振周波数設定部を備え、
前記触覚センサ本体部に加わる外力を緩和する緩衝部材を、前記触覚センサ本体部と被検出体との間に介在させた状態で、前記共振周波数設定部によって設定された１つの共振モードで前記触覚センサ本体部を共振させる、ことを特教とするセンシング装置。
上記の構成において、緩衝部材は、外力が加わることで変形して、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる高分子材料またはスポンジからなるのが好ましい。
また、緩衝部材は、触覚センサ本体部において被検体へ接触する部分に配設可能な弾性体であり、該弾性体の弾性係数(バネ係数)は外力の変化に応じて変化するものであるのが好ましい。
また、検出用電極の出力が所定の閾値を下回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を大きくするように、前記駆動電圧の周波数を設定できたり、また、前記検出用電極の出力が別の閾値を上回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を小さくするように、前記駆動電圧の周波数を設定することができるのが好ましい。
また、センシング装置は、前記触覚センサ本体部に加わる外力を算出することができる外力算出部を備えるのが好ましい。更に、センシング装置は、前記外力算出部から算出される外力から、前記緩衝部材の弾性係数を算出することができる弾性係数算出部を備えるのが好ましい。
【発明の効果】
【０００６】
上記のように構成されたセンシング装置によれば、緩衝部材が触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる。仮に、触覚センサ本体部と被検出体との間に緩衝部材が無い場合、触覚センサ本体部に加わる外力によって、触覚センサ本体部が共振モードで共振することができない虞があり、検出用電極は十分に出力できない虞がある。しかし、触覚センサ本体部と被検出体との間に介在する緩衝部材が、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することで、前記触覚センサ本体部が共振モードで共振することが可能となり、検出用電極は十分に出力できる。そして、加振周波数設定部は、触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させるので、一つの共振モードでのみ共振する構成に比べて、検出することができる接触状態、即ち、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
また、駆動電圧の印加により圧電部が振動し、触覚センサ本体部が共振モードで共振し、当該触覚センサ本体部の振動を検出回路部が検出用電極からの出力でもって検出することができるので、例えば、駆動電圧を印加しても検出用電極からの出力が不十分な場合、圧電部、検出回路部等が故障していることが分かり、修理等の対応が可能となる。それにより、センシング装置の品質が維持されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
この発明のセンシング装置としての触覚センサ１の構成を図１に示す。図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ触覚センサの拡大側面図、要部平面図、及び要部底面図である。
触覚センサ１は触覚センサ本体部３、駆動電圧印加回路部１１、検出回路部１３、加振周波数設定部としての共振周波数調整部１５及び緩衝部材としての弾性体２０を備えてなる。
触覚センサ本体部３は基材５となる弾性材料の表面に圧電材料膜６を形成する。
ここに、基材５は弾性がありかつ導電性を有するものとする。基材５が弾性を有することにより振動が生じ、また導電性を有することによりその表面の圧電材料膜６へ均等に電圧を印加することができる。かかる特性を有する材料としてチタンその他の金属を挙げることができる。また、弾性を有する導電性樹脂を用いることもできる。弾性を有する樹脂の表面へ金属層を形成したもの基材として用いてもよい。
基材５は複数の共振モードを有するものとし、その範囲で材質、形状、厚さなどを任意に選択できる。
【０００８】
基材５の表面に圧電部としての圧電材料により膜６を形成する。
圧電材料としてＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）やチタン酸バリウムなどの周知の材料を用いることができる。圧電材料膜６の膜厚は第２の電極からの出力、基板の振動に対するＱ値、振幅などを考慮して適宜選択される。
圧電材料膜６は少なくとも基材の一部分に形成されればよい。
【０００９】
駆動用電極としての第１の電極７及び検出用電極としての第２の電極８は基材の共振を阻害しないように膜６上に形成される。従って、これら電極は薄膜状にすることが好ましい。薄膜状の電極は真空蒸着、スパッタリング及びその他の周知の方法で形成することができる。
第１の電極７及び第２の電極８の形成材料も特に限定されるものではないが、圧電材料膜との接着性がよくかつ接触抵抗の小さい材料を選択することが好ましい。かかる電極の材料として、アルミニウム、金、ニッケル、ＩＴＯなどを挙げることができる。
第１の電極７及び第２の電極８の形成位置、及びその形状も特に限定されるものではないが、図１（Ｂ）、（ｃ）に示すように、基板のほぼ中央に、周縁部分から少々マージンをとって形成することが好ましい。基板の周縁部分に対してマージンをとるのは、第１の電極７と第２の電極８とのショートを確実に防止するためである。
【００１０】
駆動電圧印加回路部１１は第１の電極と基材５との間へ駆動電圧として交流を印加し、もって基材５を共振させる。共振が可能であれば、基材５の保持の態様は片持ちはりであっても両持ちはりであってもよい。この発明では、基材５の共振モードを変更するために、共振周波数調整部１５が備えられ、第１の電極７へ印加される駆動電圧の周波数が調整される。
触覚センサ本体部３が共振状態あるとき、これに外力がかかると第２の電極８と基材５との間に電圧が発生する。この電圧を検出回路部１３で検出する。この電圧は外力の大きさの変化に対して一定の関係をもって変化する。
【００１１】
この発明では、触覚センサ本体部３に対して弾性体２０を介して外力がかかる構成とした。換言すれば、触覚センサ本体部３において被検体へ接触する部分に弾性体２０を介在させるようにした。この弾性体２０は、図２Ａに示すように、外力Ｆの強さに対するその変形量ｘが直線関係になく、その結果、図２Ｂに示すように、外力Ｆの変化にともないそのばね定数ｋが変化（累積的に増加）する材料からなる。かかる材料としてポリウレタン等の高分子材料からなるゲルを挙げることができる。そのほか、スポンジ材料（高分子材料に限られない）を用いることもできる。
柔軟なゲルを触覚センサ本体部３と被検体との間に介在させることにより、触覚センサ本体部３に加わる外力を緩和させることができ、更に触覚センサは被検体に対する接触感が柔らかとなる。そのため、人、動物、植物などへの接触を図るときに好適なものとなる。
【００１２】
弾性体と触覚センサ本体部との間に空間があることが好ましい。これは、触覚センサ本体部３の無負荷状態の振動時に弾性体２０からの影響を排除するためである。そして、弾性体２０を介して被検体へ触覚センサ本体３を接触させたとき、弾性体２０が触覚センサ本体３へ触れることとなる。
なお、無負荷状態において触覚センサ本体部３と弾性体２０とを接触状態とすることもできる。この場合、両者の接触を考慮して、触覚センサ本体部３に印加する駆動電圧の共振周波数が調整される。
【００１３】
かかる構成の触覚センサの特性について説明する。
センサは直径2tsの円柱形基板の表面に厚みtpの圧電材料膜を成膜したものとする（図３参照）。
圧電解析より、(1)アクチュエータ電極への入力電圧とその時のはりに生じる曲げモーメントとの関係と、(2)たわみuの時のセンサ電極の出力電圧を導出する。解析モデルを図４に示す。圧電基本式は、Sx：ひずみ，Yp：圧電薄膜のヤング率，σx：応力，d31：圧電定数，Er：電界，Dr：電束密度，ε3：誘電率とすると
【数１】
【数２】
となり、アクチュエータ電極へ電圧を印加した時、それによって生じるはりの曲げモーメントmxは、Vi：入力電圧とすると、(1)式より
【数３】
となる。たわみuの時のセンサ電極の電圧Vは、Cp：静電容量とすると、(2)式より
【数４】
となる。
【００１４】
はりのたわみuを、モード解析法を用いて導出する。解析モデルは、一端固定、他端弾性支持はりとした(図５参照)。弾性支持としたのは、ゲルに力を加えた時、ゲルの弾性定数が変化し、それによりたわみuが変化すると考えたからである。はりのたわみuは、このはりの基準関数をUr(x)，基準座標をξr(t)とすると
【数５】
【数６】
【数７】
で表される。ここで，基準座標は，ωr：固有振動数，Pr：換算外力，Mr：換算質量，Xr：任意定数，c：減衰係数，l：長さ，E：ヤング率，I：断面2次モーメント，ρ：密度，A：断面積とすると
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
で表される。Prは、バネ定数をkとし、バネから受ける力と逆圧電効果による力Pを考慮すると
【数１２】
【数１３】
となり、はりのたわみは
【数１４】
となる。振動型センサは共振周波数で使われるので、ω=ωrとし、共振している時、他の振動モードの影響は非常に小さいため、それを無視すると
【数１５】
【数１６】
となる。
【００１５】
共振しているセンサの出力電圧は、(15)式を(4)式に代入して
【数１７】
となり、(3)式と(12)式より
【数１８】
となり、(18)式を(17)式に代入して
【数１９】
【数２０】
【数２１】
となる。感度をVrのkに関する導関数と定義すると、感度Srは
【数２２】
となる。
センサの解析結果を用い、共振モードとしての1-4次モードの(1)センサ出力とバネ定数の関係、(2)感度とバネ定数の関係について考察する。
【００１６】
1-4次モードのセンサ出力-バネ定数曲線を(19)式より導出した(図６参照)。さらに、振動モードとセンサ出力-バネ定数曲線の関係をより明確にするために、バネ定数が0の時（即ち、外力が０のとき）のセンサ出力を1次モードの値に合わせたグラフを図７に示す。このグラフより、振動モードによってセンサの特性が大きく異なることがわかる。
図６より、共振モードのうちの１次モードによる検出中においては、第２の電極８からの出力電圧が第１の閾値Ｓ１以下になると、振動モードを２次モードに変更し当該モードでの検出を行うことが好ましいことがわかる。同様に、２次モードによる検出中に出力電圧が第２の閾値Ｓ２以下になると、振動モードを３次モードとすることが好ましい。３次モードによる検出中に出力電圧が第３の閾値Ｓ３以下になると、振動モードを４次モードとすることが好ましい。また、２次モードによる検出中に出力電圧が第４の閾値Ｓ４以上になると、振動モードを１次モードとすることが好ましい。３次モードによる検出中に出力電圧が第５の閾値Ｓ５以上になると、振動モードを２次モードとすることが好ましい。４次モードによる検出中に出力電圧が第６の閾値Ｓ６以上になると、振動モードを３次モードとすることが好ましい。従って、共振周波数調整部１５は、触覚センサ本体部３が４つの共振モードで共振するように第１の電極７へ印加する駆動電圧の周波数を変化させることが可能であり、閾値に対する大小によって、設定された１つの共振モードで触覚センサ本体部３を共振させることができる。共振周波数調整部１５は、触覚センサ本体部３が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、第１の電極７へ印加する駆動電圧の周波数を変化させることができるので、一つの共振モードでのみ共振する構成に比べて、検出することができる接触状態、即ち、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
なお、触覚センサ本体部３が共振する４つの共振モードのうちの一つの共振モードの選定については、被検体及び弾性体等の種類等に応じて予め設定してもよい。更には、共振モードを変更可能な制御装置を付加する構成を追加してもよい。この場合、共振周波数調整部１５及び共振モードを変更可能な制御装置が、加振周波数設定部として機能することになる。
これにより、広いばね定数の範囲おいて正確な検出が可能となる。ばね定数と外力とは一対一の関係にあるので、ばね定数から外力を特定することができる。即ち、この発明によれば広い範囲の外力を正確に測定可能である。
【００１７】
1-4次モードの感度-バネ定数曲線を図７と(19)式より導出した(図８)。図８より、k<0.8では1次モードの、0.8<k<3.4では2次モードの、3.4<k<7.3では3次モードの、7.3<kでは4次モードの感度が最も高い事がわかる。すなわち、他の振動モードと比較した場合、振動モードが高いほどバネ定数の高い範囲で高感度である事がわかる。
【実施例】
【００１８】
次に、上記の特性を確認するための実施例について説明する。
実験に使用するセンサを水熱法を用いて製作した。水熱法を用いたのは曲面形状の基板であっても表面に均質に成膜できるからである。センサの製作プロセスを図９に示す．基板には直径：1mm，長さ5mmのチタン金属を用いた．PZT薄膜の膜厚は25μmとした。
【００１９】
振動モードによって、センサの特性がどのように変化するかを調査するため、実験を行った。実験システムを図１０に示す。片持ちはりにゲルを付け、センサをそのゲルに接触させた時のはり先端の変位をレーザ変位計(Keyence, LC-2420)を用いて計測した。片持ちはりには幅：5mm，厚み：1mmのアルミの四角柱を用い、ゲルには幅：5mm，厚み5mm，長さ：7.5mmのポリウレタンを用いた。
ゲルの特性を図１１及び図１２に示す。
また、片持ちはりの先端の変位uは
【数２３】
を用いて力Ｆに変換した。ここで、EI：曲げ剛性、l：長さである。
【００２０】
実験結果を図１３に示す。これより、1次モードと比較して、2次モードの方がより大きな力に対してセンサ出力の変化量が大きく、広範囲で力計測が可能である事がわかる。図１４は、力が0の時のセンサ出力を1次モードの値に合わせたグラフである。図７と比較すると、定性的に一致している事がわかる。
【００２１】
センサの応用として、ロボットフィンガを設計し、その実験を行った。
ロボットフィンガの斜視図を図１５，その内部構造を図１６に示す。センサ数は9個とした。
図１７(a),(b),(c),(d)に実験用ロボットフィンガとその構造を示す。まず、センサをクランプ側の中央と指先側の中央に配列した(a)。次に、より正確に接触位置を把握するためにフレームを作製した(b)。次に、センサの上面のみがゲルと接触するようにフレームとゲルを組み合わせた(c)。最後に、(a)と(c)を組み合わせ、ロボットフィンガとした(d)。
【００２２】
図１７のロボットフィンガを用いて実験を行った。実験システムを図１８に示す。直径5mmのアルミニウムの丸棒を用い、クランプ側から7mm，14mm，21mmの位置の中央に100gと200gの荷重を加えた。実験結果を図１９−２１に示す。図１９及び図２１より、接触位置とセンサの反応位置が対応している事がわかる。また、荷重を大きくする事により、もう一方のセンサも徐々に反応して行く事がわかる。図２０より、間に荷重を加えた場合，両方のセンサが反応している事がわかる。以上より、このロボットフィンガは接触位置と接触力が認識可能である事がわかる。
【００２３】
図２２にこの発明のセンサを用いた玩具３０を示す。なお、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の玩具３０では、触覚センサ本体部３の全体がゲル状の弾性体３１で覆われ、幼児がこれを把持可能となっている。検出回路部１３で検出された第２の電極の出力電圧とそのときの共振モードとに基づき、ばね定数特定部４１は、図６の関係を参照して、把持された状態の弾性体３１のばね定数を特定する。
加振周波数設定部としての共振モード切替部４３は、第２の電極８の出力が所定の閾値を下回ったときに共振モードの次数を大きくするように、また、第２の電極８の出力が所定の閾値を上回ったときに共振モードの次数を小さくするように、加振周波数設定部としての共振周波数調整部１５を制御する。これにより、切り替えられた共振モードを実現する周波数の駆動電圧が駆動電圧印加回路部１１より第１の電極７に供給されることとなる。それとともに、切り替えられた共振モードに応じて発光表示部３５のランプを選択的に点灯させる。例えば、１次共振モードのときは１つのランプを点灯し、２次共振モードのときは２つのランプを点灯し、３次共振モードのときは４つのランプを点灯し、４次共振モードのときは４つのランプを点灯する。
【００２４】
このように構成された玩具によれば、センサ本体部３を把持する力の強さに応じて発光表示部３の発光態様が変化することとなるので、幼児は玩具に対し強い関心を示し、幼児の保護者の購買意欲を喚起することとなる。この実施例では選択された共振モードに応じてランプの点灯数を変化させているが、発光色を変化させるようにすることもできる。また、発光の代わりに、音声出力をしてその周波数、振幅等を変化させてもよい。
この発明の玩具ではセンサ本体部３がゲルで覆われているので感触が柔らかく、特に幼児向けのものとして好適である。また、センサ本体部３の構造がシンプルであるため、機械的剛性及び耐久性が高く、玩具として好適である。
【００２５】
次に、複数の触覚センサを集積した集積センサ５０及びその製造方法について説明する。
まず、図２３に示すように、円柱や四角柱等の細長い基材に圧電薄膜を成膜する。その後、電極を両面に蒸着するし、分割して触覚センサ本体部５１を得る。
他方、図２４に示すように、触覚センサ本体部５１の一端を挿入する孔をあけた土台を準備し、これに配線をプリントする。そして、土台の各孔へ触覚センサ本体部５１を挿入することによりこれを組付ける。その後、電極に対して駆動電圧印加回路及び検出回路からの配線をつなぎ（図示省略）、ゲル５３で触覚センサ本体部５１を全体的に覆う。
このようにして集積センサ５０を容易に形成することができる。
【００２６】
次に他の集積センサ６０の説明をする。
図２５に示すように、この集積センサ６０は平板状の触覚センサ本体部６１が振動可能なようにその周縁部を土台７１へ固定して、その上に弾性体７５を被覆した構成である。
触覚センサ本体部６１は図２６に示すように形成される。まず、チタン製の基板６２にスリット６３を形成する。このスリット６３は基板６２の１つの縁で終了し、もって基板はその一体性が保たれている。これにより、基板６２の取り扱いが容易になる。その後、圧電材料により圧電薄膜を成膜する。そして、基板６２の上下面の同じ位置にアルミニウムを蒸着して電極とする。これにより、スリット６３、仮想線６４及び基板の周縁で囲まれた部分に平板状の触覚センサ本体部６１が形成される。この実施例では９つの触覚センサ本体部６１が集積されている。
【００２７】
図２７は土台７１の構成を示し、図２７（Ａ）はその上面図、図２７（Ｂ）はその側面図である。
この土台７１はリブ７２を備えている。
かかる土台７１のリブ７２へ、図２５に示すように、基板６２を固定する。このとき、各触覚センサ本体部６１の一対の縁部（図２６では図中上下方向の縁部）がリブ７２で固定される。これにより、各触覚センサ本体部６１は機械的に独立したものとなる。他方、各触覚センサ本体部６１の他方の縁部はスリット６３で物理的に分離されている。
最後に、図２５に示すように、ゲルなどの弾性体７５を触覚センサ本体部６１へ被覆して集積センサ６０が完成する。この実施例では、基板の全体に弾性体７５を被覆したが、触覚センサ本体部６１毎に弾性体７５を被覆してもよい。
【００２８】
このように固定された各触覚センサ本体部６１は一方の電極へ駆動電圧を印加することにより振動可能となる。そして、その周波数を調整することにより任意の次数で共振させることができる。他方の電極からは出力電圧が得られる。この実施例の触覚センサにおいても、共振モードの次数を大きくすることにより、感度が低下することが確認できた。これにより、触覚センサ本体部へ印加する駆動電圧の周波数に変化を与えて共振モードを調整することにより、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
かかる構成の集積センサ６０によれば、これを構成する全ての機械的要素が板状であり、それらを単に積層することにより形成される。従って、その製造が極めて容易になる。
【００２９】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
例えば、次のような回路構成を追加しても良い。
即ち、検出回路部１３にメモリを接続させるとともに、当該メモリに制御装置を接続させる回路を追加する。この場合、触覚センサ本体部３に加わる外力と検出回路部１３の出力との関係を予め実験でもって把握し、当該外力と検出回路部１３の出力とを関係付けた関連データを当該メモリに記憶させる。制御装置は、メモリから読み出した関連データに基づき、検出回路部１３の出力に対応する外力の大きさを把握することができる。それにより、制御装置は、メモリから読み出した関連データに基づき、触覚センサ本体部３に加わる外力を算出することができるので、制御装置およびメモリは、外力算出部として機能することになる。
更に、他の変形例として、次のような構成を採用しても良い。即ち、弾性体の変位量と、触覚センサ本体部３に加わる外力と、検出回路部１３との出力関係を予め実験で把握する。そして、弾性体の変位量、外力、検出回路部１３の出力の関係を導出した関係データを当該メモリに記憶させる。制御装置は、当該メモリから関係データを読み出すことで、検出回路部１３の出力から弾性体の変位量と外力の関係を把握できる。この場合、制御装置およびメモリは算出される外力と変位量との関係から、弾性体の弾性係数を算出することができる。その結果、制御装置およびメモリは、弾性係数算出部として機能することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１はこの発明の触覚センサの構造を示す模式図である。
【図２】図２は弾性体の特性を示し、図２Ａは変形量と外力との関係を示し、図２Ｂは外力とばね定数との関係をしめす。
【図３】図３はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。
【図４】図４はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。
【図５】図５はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。
【図６】図６はこの発明の触覚センサの出力と弾性体のばね定数との関係を、共振モード別に示す。
【図７】図７は外力がゼロのときの触覚センサの出力を基準として各共振モードにおけるセンサ出力とばね定数との関係を示す。
【図８】各共振モードにおけるばね定数と感度との関係を示す。
【図９】図９は実施例の触覚センサの製造方法を示す。
【図１０】図１０は実施例の触覚センサの特性の測定方法を示す。
【図１１】図１１は実施例で用いた弾性体の変形量と外力との関係を示す。
【図１２】図１２は同じく外力とばね定数との関係を示す。
【図１３】図１３は各共振モードにおける実施例の触覚センサの外力とセンサ出力との関係をしめす。
【図１４】図１４は外力がゼロのときの実施例の触覚センサの出力を基準として各共振モードにおけるセンサ出力とばね定数との関係を示す。
【図１５】図１５は実施例のロボットフィンガを示す斜視図である。
【図１６】図１６は同じくロボットフィンガの内部構造を示す。
【図１７】図１７は実施例のロボットフィンガの構造を示す分解斜視図である。
【図１８】図１８は図１７のロボットフィンガの特性検査の実験方法を示す図である。
【図１９】図１９は図１８による実験の結果を示す。
【図２０】図２０は図１８による実験の結果を示す。
【図２１】図２１は図１８による実験の結果を示す。
【図２２】図２２は実施例の玩具の構造を示す。
【図２３】図２３は実施例の集積センサを製造する方法を説明する図である。
【図２４】図２４は同じく集積センサを製造する方法を説明する図である。
【図２５】図２５は他の実施例の集積センサを示す図であり、図２５Ａは上面図、図２５Ｂは側面図である。
【図２６】図２６は他の実施例の集積センサを製造する方法を説明する図である。
【図２７】図２７は同じく他の実施例の集積センサに使用される土台の構成を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１ 触覚センサ（センシング装置）
３、５１、６１ 触覚センサ本体部
５ 基材
６ 圧電材料膜（圧電部）
７ 第１の電極（駆動用電極）
８ 第２の電極（検出用電極）
１１ 駆動電圧印加回路部
１３ 検出回路部
１５ 共振周波数調整部（加振周波数設定部）
２０、３１ 弾性体（緩衝部材）
４３ 共振モード切替部（加振周波数設定部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材に設けられた圧電部と、該圧電部に電気的に接続された駆動用電極及び検出用電極と、を備える触覚センサ本体部と、
前記駆動用電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、
前記検出用電極の出力を検出する検出回路部とを備え、
前記駆動電圧の印加により前記圧電部が振動し、当該振動を前記検出回路部が前記検出用電極からの出力でもって検出することができるセンシング装置において、
前記触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、前記駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させる加振周波数設定部を備え、
前記触覚センサ本体部に加わる外力を緩和する緩衝部材を、前記触覚センサ本体部と被検出体との間に介在させた状態で、前記加振周波数設定部によって設定された１つの共振モードで前記触覚センサ本体部を共振させる、ことを特教とするセンシング装置。
【請求項２】
前記緩衝部材は、前記触覚センサ本体部において被検体へ接触する部分に配設可能な弾性体であり、該弾性体の弾性係数は外力の変化に応じて変化するものである、ことを特教とする請求項１に記載のセンシング装置。
【請求項３】
前記緩衝部材は、外力が加わることで変形して、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる材料からなる、ことを特教とする請求項１または２に記載のセンシング装置。
【請求項４】
前記検出用電極の出力が所定の閾値を下回ったとき、
前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を大きくするように、前記駆動電圧の周波数を設定できたり、また、前記検出用電極の出力が別の閾値を上回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を小さくするように、前記駆動電圧の周波数を設定することができる、ことを特教とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のセンシング装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一に記載のセンシング装置において、前記触覚センサ本体部に加わる外力を算出することができる外力算出部を備える、ことを特教とするセンシング装置。
【請求項１】
基材と、該基材に設けられた圧電部と、該圧電部に電気的に接続された駆動用電極及び検出用電極と、を備える触覚センサ本体部と、
前記駆動用電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、
前記検出用電極の出力を検出する検出回路部とを備え、
前記駆動電圧の印加により前記圧電部が振動し、当該振動を前記検出回路部が前記検出用電極からの出力でもって検出することができるセンシング装置において、
前記触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、前記駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させる加振周波数設定部を備え、
前記触覚センサ本体部に加わる外力を緩和する緩衝部材を、前記触覚センサ本体部と被検出体との間に介在させた状態で、前記加振周波数設定部によって設定された１つの共振モードで前記触覚センサ本体部を共振させる、ことを特教とするセンシング装置。
【請求項２】
前記緩衝部材は、前記触覚センサ本体部において被検体へ接触する部分に配設可能な弾性体であり、該弾性体の弾性係数は外力の変化に応じて変化するものである、ことを特教とする請求項１に記載のセンシング装置。
【請求項３】
前記緩衝部材は、外力が加わることで変形して、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる材料からなる、ことを特教とする請求項１または２に記載のセンシング装置。
【請求項４】
前記検出用電極の出力が所定の閾値を下回ったとき、
前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を大きくするように、前記駆動電圧の周波数を設定できたり、また、前記検出用電極の出力が別の閾値を上回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を小さくするように、前記駆動電圧の周波数を設定することができる、ことを特教とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のセンシング装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一に記載のセンシング装置において、前記触覚センサ本体部に加わる外力を算出することができる外力算出部を備える、ことを特教とするセンシング装置。
【図１】
【図２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００６−７８４２９（Ｐ２００６−７８４２９Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６５３４０（Ｐ２００４−２６５３４０）
【出願日】平成１６年９月１３日（２００４．９．１３）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１３日（２００４．９．１３）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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